JP2001059146A

JP2001059146A - 高剛性鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2001059146A
Application number: JP11232354A
Authority: JP
Inventors: Koji Tanaka; 浩司田中; Nobuhiko Matsumoto; 伸彦松本; Kazuaki Nishino; 和彰西野; Taku Saito; 卓斎藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2001-03-06
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: JP3898387B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高いヤング率を有する高剛性鋼およびその製
造方法を提供すること。【解決手段】本発明の高剛性鋼は、鉄または鉄合金よ
りなるマトリックスと、マトリックス中に分散保持され
た４Ａ族元素のホウ化物と、を含む高剛性鋼において、
マトリックスに分散される４Ａ族元素のホウ化物および
他のホウ素を含む化合物ならびに４Ａ族元素を含む金属
間化合物を調整することを特徴とする。また、本発明の
製造方法は、ホウ化物原料粉末において、４Ａ族元素と
ボロンとの配合比率を調整することで、４Ａ族元素のホ
ウ化物以外のホウ素を含む化合物および４Ａ族元素を含
む金属間化合物の発生が押さえられる。本発明の高剛性
鋼は、実用部品として用いたときに、この部品を従来品
より小型、軽量化できる効果を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高いヤング率を有
する高剛性鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、構造用金属材料としては、鋼や鉄
系合金が広く利用されている。これらの金属材料は、そ
の使用目的に応じて、強度、延性、靱性等の機械的性質
が付与されている。この機械的性質の付与は、合金元素
の添加や熱処理などを施すことにより、極めて多様な組
織変化を生じさせることでなされている。

【０００３】このような構造用金属材料を用いた実部品
において、その性能を左右する材料特性のひとつに、剛
性がある。この剛性を表す指標として、ヤング率（縦弾
性係数）をあげることができる。

【０００４】金属材料のヤング率は、金属材料を構成す
る原子間の結合力を反映する物性値である。このため、
鋼や鉄系合金においては、上記の多様な組織変化にもか
かわらず、ヤング率は１９０〜２１０ＧＰａ程度の固有
な値であり、このヤング率を大幅に向上させることは困
難である。

【０００５】このような実状において、鋼や鉄系合金の
ヤング率を向上させる手段としては、高ヤング率の化合
物相をＦｅ基マトリックスに分散させ、複合化させるこ
とが唯一の現実的な手段であった。

【０００６】剛性を向上させた高剛性鉄基合金について
は、たとえば、特開平７−１８８８７４号公報に開示さ
れている。この高剛性鉄基合金は、鉄または鉄系合金か
らなるマトリックスに、４Ａ族元素を主体とするホウ化
物の少なくとも１種以上を分散させた鉄基合金である。
さらに、この高剛性鉄基合金の製造方法も開示されてい
る。

【０００７】しかしながら、特開平７−１８８８７４号
に記載の高剛性鉄基合金は、ホウ化物の複合化により高
ヤング率が得られるが、ホウ素がホウ化物の化学量論比
より過剰になると、過剰なホウ素は鉄または鉄基合金の
マトリックス中にほとんど固溶できないため、マトリッ
クスの鉄あるいは鉄基合金成分と結合して、鉄ホウ化物
や鉄−合金成分−ホウ素の複合ホウ化物を形成する。ま
た一方、４Ａ族元素が大幅に過剰になると、同様にマト
リックスの鉄あるいは鉄基合金成分と結合して、ラーベ
ス相等の金属間化合物を形成する。ここで、鉄ホウ化
物、複合ホウ化物相およびラーベス相は、原子間の結合
力が４Ａ族元素のホウ化物ほど高くないため、マトリッ
クス中に鉄ホウ化物やラーベス相を一定以上の割合で有
するとヤング率が低下するとともに、マトリックスが著
しく硬化・脆化して実部品に適用しうる鋼としての特性
を失うという問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実状に鑑
みてなされたものであり、高いヤング率を有する高剛性
鋼およびその製造方法を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明者等は、マトリックスに分散される４Ａ族元素
のホウ化物とともに、他のホウ素を含む化合物ならびに
４Ａ族元素を含む金属間化合物の量を調整することで上
記課題を解決できることを見出した。

【００１０】すなわち、本発明の高剛性鋼は、鉄または
鉄合金よりなるマトリックスと、マトリックス中に分散
保持された４Ａ族元素のホウ化物と、を含む高剛性鋼で
あって、全体を１００体積％とした場合、４Ａ族元素の
ホウ化物は５〜６５体積％を占め、かつ４Ａ族元素のホ
ウ化物の全体積を１００とした場合、６０以下の４Ａ族
元素のホウ化物以外のホウ素を含む化合物、および４Ａ
族元素を含む金属間化合物の少なくとも１種を含むこと
を特徴とする。

【００１１】本発明の高剛性鋼は、高ヤング率の４Ａ族
元素のホウ化物を鉄系のマトリックスに分散させること
で鉄系合金に剛性を付与し、同時に４Ａ族元素のホウ化
物以外のホウ化物および４Ａ族元素を含む金属間化合物
の量を制御することで、鋼としての特性である靱性、延
性を保ちながら、その剛性を向上させている。

【００１２】また、本発明の高剛性鋼の粉末冶金プロセ
スによる製造方法は、４Ａ族元素のホウ化物、４Ａ族元
素とボロンを単独または同時に含有する複数の原料粉末
の組み合わせのうち、いずれか、あるいは両者を併用し
て４Ａ族元素とボロンとの配合比率が原子比で０．４５
〜０．８０となるように調整された４Ａ族元素のホウ化
物原料粉末と、鉄または鉄合金から選択される１種以上
のマトリックス原料粉末とを、混合する原料混合工程
と、原料粉末混合工程において混合された主原料粉末を
所定の形状に圧粉成形する成形工程と、成形工程により
得られた成形体を焼結して焼結体を形成する焼結工程
と、を有することを特徴とする。

【００１３】また、本発明の高剛性鋼の溶融、鋳造プロ
セスによる製造方法は、４Ａ族元素の純金属あるいは４
Ａ族元素を含有する合金原料と、ボロンを含有する合金
原料とを、４Ａ族元素とボロンとの配合比率が原子比で
０．４５〜０．８０となるように配合し、これに、鉄あ
るいは鉄合金のマトリックス組成を得るために必要な原
料を加えて、すべての原料を真空中あるいは不活性ガス
雰囲気中で完全に溶融させた後、金型あるいはセラミッ
クス型へ鋳造して鋼塊を製造する高剛性鋼の製造方法。

【００１４】本発明の製造方法は、ホウ化物原料におい
て、４Ａ族元素とボロンとの配合比率を調整すること
で、４Ａ族元素のホウ化物以外のホウ素を含む化合物お
よび４Ａ族元素を含む金属間化合物を、４Ａ族元素のホ
ウ化物の全体積を１００とした場合、６０以下にして鋼
としての特性である靱性、延性を保ちながらその剛性を
向上させた高剛性鋼を製造できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】（高剛性鋼）本発明の高剛性鋼
は、鉄または鉄合金よりなるマトリックスと、マトリッ
クス中に分散保持された４Ａ族元素のホウ化物と、を含
む高剛性鋼である。

【００１６】本発明の高剛性鋼は、４Ａ族元素のホウ化
物をマトリックスに分散させることで、剛性を向上させ
ている。すなわち、マトリックスに高ヤング率の粒子を
分散させることで、鋼のヤング率を高くしている。

【００１７】４Ａ族元素のホウ化物は、規則的に４Ａ族
元素とホウ素が配置された結晶構造を有し、共有性結合
によって構成原子が強固に結合している。このため、構
成原子の結合力が反映されるヤング率が高くなってい
る。また、４Ａ族元素のホウ化物は、鉄合金中で熱力学
的に極めて安定であるため、異種元素の侵入・置換、あ
るいは他の複合化合物の形成など、マトリックスとの間
に反応に起因する結晶学的および冶金学的な変化を生じ
ない。

【００１８】本発明の高剛性鋼は、全体を１００体積％
とした場合、４Ａ族元素のホウ化物が５〜６５体積％を
占める。すなわち、４Ａ族元素のホウ化物を５〜６５体
積％とすることで、剛性を向上させる。ここで、４Ａ族
元素のホウ化物が、５体積％未満では高剛性化の効果が
得られず、６５体積％を超えるとホウ化物どうしの凝集
や、合体が生じ、鋼の機械的特性が低下するようにな
る。

【００１９】本発明の高剛性鋼は、４Ａ族元素のホウ化
物の全体積を１００とした場合、６０以下の４Ａ族元素
のホウ化物以外のホウ素を含む化合物および４Ａ族元素
を含む金属間化合物の少なくとも１種を含む。４Ａ族元
素のホウ化物以外のホウ素を含む化合物とは、たとえ
ば、鉄のホウ化物や、請求項２〜５に記載の合金元素が
添加された場合には、鉄とこれらの合金元素との複ホウ
化物等をいう。また、金属間化合物とは、たとえば、鉄
と４Ａ族元素との金属間化合物であるＦｅ₂Ｍ（ラーベ
ス相）等や、請求項２〜５に記載の合金元素が添加され
た場合には、これらの合金元素と４Ａ族元素との金属間
化合物等をいう。

【００２０】４Ａ族元素のホウ化物以外のホウ素を含む
化合物および４Ａ族元素を含む金属間化合物相が、マト
リックスに６０体積％を超えて析出すると、高剛性鋼中
での４Ａ族元素のホウ化物量が相対的に減少し、鉄系合
金のヤング率の向上の効果が低下するとともに、マトリ
ックスが著しく硬化・脆化して実部品に適用しうる鋼と
しての特性を失うという問題があった。

【００２１】４Ａ族元素のホウ化物は、４Ａ族元素であ
る、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウ
ム（Ｈｆ）のホウ化物の一種以上が用いられる。ホウ化
物は、単体としてのヤング率が少なくとも２５０００ｋ
ｇｆ／ｍｍ²以上であれば、その分散により高剛性化の
確かな効果が得られる。中でも、ＭＢ₂（Ｍ：４Ａ族元
素）で示される４Ａ族元素の二ホウ化物が、特に高いヤ
ング率を有するため、好ましい。

【００２２】本発明の高剛性鋼は、マトリックス中で４
Ａ族元素のホウ化物の粒径が１００μｍ以下となってい
ることが好ましい。４Ａ族元素のホウ化物の粒径が１０
０μｍ以下となることで、実用レベルの機械的性質を高
剛性鋼にもたらすことができる。より好ましい粒径は、
２０μｍ以下である。

【００２３】マトリックスは、鉄または鉄合金よりな
る。すなわち、純鉄あるいは鉄系合金をマトリックスと
して用いることができる。また、鉄合金としては、フェ
ライト系、オーステナイト系、あるいはマルテンサイト
系など、広範囲な鉄合金を用いることができる。

【００２４】マトリックスは、マトリックス全体を１０
０重量％とした場合、Ｖ、Ｃｒの１種以上を、その合計
が２５．０重量％以下含むことが好ましい。これらの元
素はマトリックスの二つの基本結晶構造のうち、より高
ヤング率なＢＣＣ構造のフェライトを安定化し、本高剛
性鋼においてさらなる高ヤング率化を促進する。これら
の元素が２５．０重量％を超えると鉄との脆性化合物と
して有名なシグマ相が析出し、マトリックスを著しく脆
化させる。

【００２５】マトリックスは、マトリックス全体を１０
０重量％とした場合、Ｎｉ、Ｃｏの１種以上を、その合
計が２５．０重量％以下含むことが好ましい。これらの
元素をマトリックスに含むことで、マトリックスにＦＣ
Ｃ構造のオーステナイトを導入し、フェライトのみのマ
トリックスに比べ、破壊靱性を向上させる。これらの元
素が２５．０重量％を超えるとオーステナイト主体のマ
トリックスとなり、フェライト主体のマトリックスに対
し、ヤング率が大幅に低下する。

【００２６】マトリックスは、マトリックス全体を１０
０重量％とした場合、Ｃｕを１０．０重量％以下含むこ
とが好ましい。ここで、Ｃｕをマトリックスが含むとい
う状態は、マトリックスがＣｕを固溶している状態、お
よびε−Ｃｕ相として析出している状態の両方を示す。
マトリックスがＣｕを含むことで、鋼の強度が向上する
が、特にＣｕが超微細整合析出をした場合、鋼が著しく
高強度化される。ここで、Ｃｕが１０．０重量％を超え
るとマトリックスのヤング率が低下するとともに、熱間
加工時に液相割れなどを起こしやすくなり、実用上の問
題が生じるようになる。Ｃｕは、０．２重量％以上であ
ることがより好ましい。Ｃｕが０．２重量％以上で、マ
トリックスの強度の向上の効果が実用上において、十分
となる。

【００２７】マトリックスは、マトリックス全体を１０
０重量％とした場合、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆの１
種以上の元素を、その合計が１０．０重量％以下含むこ
とが好ましい。これらの元素は、マトリックス中におい
て、固溶もしくは析出状態で、マトリックスの強度を向
上させ、得られる高剛性鋼の強度を向上させる。ここ
で、これらの元素量が１０．０重量％を超えるとフェラ
イト相を著しく硬化させるとともに、多量の析出物が生
じ、マトリックスを著しく脆化させる。

【００２８】マトリックスは、マトリックス全体を１０
０重量％とした場合、Ｃを０．５重量％以下含むことが
好ましい。Ｃを０．５重量％以下にすることで、マトリ
ックスに分散される４Ａ族元素のホウ化物の熱力学的安
定性が保たれるようになる。すなわち、高温において
も、ホウ化物の４Ａ族元素とＣにより、炭化物や炭ホウ
化物が形成されることが抑制される。このため４Ａ族元
素のホウ化物による高ヤング率化の効果を最大限に引き
出す。ここで、Ｃが０．５重量％を超えると、上記炭化
物や炭ホウ化物が多量に形成され、高剛性鋼の破壊脆性
を著しく低下させるので、実用上好ましくなくなる。

【００２９】本発明の高剛性鋼は、上記した組成および
構成をもつものであればよく、その製造方法によって、
限定されるものではない。

【００３０】（高剛性鋼の製造方法）本発明の粉末冶金
プロセスによる高剛性鋼は、次の方法によって確実に製
造することができる。すなわち、本発明の粉末冶金プロ
セスによる高剛性鋼の製造方法は、原料混合工程と、成
形工程と、焼結工程と、を有する。すなわち、調整され
た粉末原料を所定の形状に成形した後に、焼結させる製
造方法である。

【００３１】原料混合工程は、４Ａ族元素のホウ化物原
料粉末と、マトリックス原料粉末とを、混合する工程で
ある。

【００３２】４Ａ族元素のホウ化物原料粉末は、４Ａ族
元素のホウ化物粉末、および４Ａ族元素とボロンを単独
または同時に含有する複数の原料粉末の組み合わせのう
ち、いずれか、あるいは両者を併用した粉末である。す
なわち、本発明の製造方法は、４Ａ族元素のホウ化物が
あらかじめ形成された原料粉末を配合するか、あるいは
／および４Ａ族元素粉末とホウ素原料粉末とを混合して
その後の焼結工程において両元素の反応により生成させ
ることでマトリックスに分散させる。

【００３３】ホウ化物原料粉末は、４Ａ族元素とボロン
との配合比率が原子比で０．４５〜０．８０に調整され
ている。４Ａ族元素とボロンとの配合比率を原子比で
０．４５〜０．８０に調整することで、４Ａ族元素のホ
ウ化物以外のホウ素を含む化合物であるホウ化鉄や、４
Ａ族元素を含む金属間化合物相を形成することを抑制す
ることができる。

【００３４】ホウ化物原料粉末は、それぞれ公知の方法
により調整されたものや市販の粉末を用いることができ
る。また、ホウ化物原料粉末として４Ａ族元素のホウ化
物粉末を用いる場合は、その平均粒径が数μｍ以下の粉
末を用いることが好ましい。このため、粒径が大きな粉
末の場合には、ボールミル、振動ミル、アトライタ等の
装置により粉砕しておくことが好ましい。

【００３５】マトリックス原料粉末は、鉄または鉄合金
から選択される１種以上の粉末である。また、このマト
リックス原料粉末は、市販のもの、あるいは公知の方法
により作成されたものなど、いずれの鉄粉末あるいは鉄
合金粉末を用いてもよい。たとえば、アトマイズ法によ
り作製された市販の純鉄粉、ステンレス粉末等の粉末を
そのまま用いることができる。

【００３６】マトリックス原料粉末は、たとえば平均粒
径が１８０μｍ以下の普通粒度のものを用いることがで
きる。より好ましくは、平均粒径が４５μｍ以下の粉末
である。すなわち、平均粒径を４５μｍ以下とすること
で焼結体の緻密化が促進されること、４Ａ族元素のホウ
化物粉末を用いる場合にその分散を容易に均一化出来る
ようになる。また、このことは、マトリックス原料粉末
の粒径が、４５μｍより大きな粉末の使用を排除するも
のではない。

【００３７】原料混合工程は、４Ａ族元素のホウ化物原
料粉末とマトリックス原料粉末とを均一に混合させる工
程である。また、本発明の製造方法においては、特殊な
混合方法や、前処理を行わなくてもよいため、通常の粉
末の混合方法に用いられる粉末の混粉装置を採用するこ
とができる。たとえば、Ｖ型、ダブルコーン型等の混粉
機、ボールミル、あるいは振動ミルをあげることができ
る。ここで、ホウ化物原料粉末に４Ａ族元素のホウ化物
粉末を用いた場合において、該粉末が二次粒子等を形成
している場合には、アトライタ等の高エネルギーミルに
より不活性ガス雰囲気中で粉砕処理することが好まし
い。

【００３８】成形工程は、原料粉末混合工程において混
合された主原料粉末を所定の形状に圧粉成形する工程で
ある。この成形工程における成形方法は、所望の形状に
成形できる成形方法であれば、いずれの成形方法を用い
てもよい。たとえば、金型成形、ＣＩＰ成形等をあげる
ことができる。

【００３９】また、成形工程における成形圧力は、２ｔ
ｏｎ／ｃｍ²以上が好ましい。すなわち、２ｔｏｎ／ｃ
ｍ²以上で成形することで、得られる成形体を焼結させ
たときの緻密化が十分に行われる。

【００４０】焼結工程は、成形工程により得られた成形
体を焼結して焼結体を形成する工程である。

【００４１】焼結は、真空中、不活性ガス雰囲気、ある
いは還元性ガス雰囲気中でなされることが好ましい。す
なわち、焼結は、マトリックスの鉄系合金が反応（酸
化）しない雰囲気下でなされる。

【００４２】焼結は、１１００〜１３００℃の温度範囲
に加熱されることが好ましい。加熱温度が１１００℃未
満では、焼結体の密度が十分に向上せず、１３００℃を
超えるとホウ化物の種類によっては、多量の液相を生
じ、焼結体の形状が維持できなくなる。また、加熱時間
は、０．５〜４時間であることが好ましい。加熱時間が
０．５時間未満では焼結体の密度が十分に向上せず、４
時間を超えるとさらなる緻密化等の得られる効果に対し
て、作業工数や加熱に要するエネルギーのロスが大きく
なるためである。

【００４３】また、本発明の高剛性鋼の溶融、鋳造プロ
セスによる製造方法は、４Ａ族元素の純金属あるいは４
Ａ族元素を含有する合金原料と、ボロンを含有する合金
原料とを、４Ａ族元素とボロンとの配合比率で０．４５
〜０．８０となるように配合し、これに、鉄あるいは鉄
合金のマトリックス組成を得るために必要な原料を加え
て、すべての原料を真空中あるいは不活性ガス雰囲気中
で完全に溶融させた後、金型あるいはセラミックス型へ
鋳造することを特徴とする。ここで、４Ａ族元素を含有
する合金原料としては、たとえば、フェロチタン、フェ
ロジルコニウムをあげることができ、ボロンを含有する
合金原料には、たとえば、フェロボロンをあげることが
できる。また、溶融設備としては、セラミックス製るつ
ぼを用いた高周波誘導真空溶解炉、アルゴンアーク溶解
炉、プラズマ溶解炉、水冷銅るつぼを用いた高周波誘導
真空溶解炉あるいは高周波誘導浮遊溶解炉など、従来の
溶融設備を用いることができる。

【００４４】本発明の高剛性鋼の製造方法は、焼結工程
あるいは溶融、鋳造後に熱間加工を施す熱間加工工程を
有することが好ましい。すなわち、たとえば、焼結工程
のみでは焼結体の緻密化が不十分で、さらなる緻密化が
要求される場合には、焼結体に熱間加工を施すことによ
り真密度にまで容易に緻密化できる。また、溶融、鋳造
により製造された鋼塊の場合には、鋳造時に内部に生成
したポロシティを低減できるとともにホウ化物を微細化
できるので、強度特性の信頼性が向上する。この熱間加
工としては、鍛造、圧延押出し、スエージ等のさまざま
な加工方法をあげることができる。

【００４５】熱間加工は、９００〜１２００℃の範囲で
行われることが好ましい。９００℃未満となると加工時
の変形抵抗が大きく、１２００℃を超えると液相を生じ
るおそれがあるため好ましくない。

【００４６】また、熱間加工工程のかわりに、焼結工程
後にＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を施すことで、焼
結体を緻密化することもできる。このＨＩＰ処理におけ
る処理条件としては、９００〜１２００℃、５００〜２
０００気圧、１〜１０時間の範囲内で行うことが好まし
い。

【００４７】本発明の高剛性鋼の製造方法は、通常の粉
末冶金技術あるいは溶融、鋳造技術に沿った製造方法で
あるため、従来の焼結材あるいは特殊鋼等の製造に用い
られた設備を用いることができる。

【００４８】本発明の高剛性鋼は、ターボシャフト等の
回転軸、ピストン等の往復運動部品に用いることが好ま
しい。

【００４９】すなわち、本発明の高剛性鋼を回転軸に用
いると、共振周波数が高周波側にシフトするため、より
高速回転をさせることができる。具体的には、回転軸を
用いた装置においては、共振による過負荷、あるいは破
壊の危険を避けるため、共振周波数を大きく下回る速度
でしか運転ができなくなっていた。このため、共振周波
数が大きくなることは、回転速度を大きくすることがで
きるようになる。

【００５０】また、本発明の高剛性鋼は、高い剛性を有
するため、往復運動部品を小型化、薄肉化できる。この
ように小型化、薄肉化させることで、往復運動部品自身
が軽量化される。このため、往復運動の運動速度を引き
上げる、あるいは、少ないエネルギーで往復運動を生じ
させることができるようになる。

【００５１】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を説明する。

【００５２】本発明の実施例として、高剛性鋼を作製し
た。

【００５３】（第一実施例）第一実施例は、Ｆｅ−Ｃｒ
系合金マトリックスと、このマトリックスに分散された
２０ｖｏｌ％のＴｉＢ₂粒子と、を有する高剛性鋼であ
る。具体的には、マトリックスとして、ステンレス鋼
（ＳＵＳ４３０）粉末とフェロチタン（ＦｅＴｉ）粉末
よりなる合金組成に調整されたマトリックスに、２０ｖ
ｏｌ％のＴｉＢ ₂粒子が分散されている。

【００５４】ここで、第一実施例は、その組成が試料１
のＦｅ−１４．６ｗｔ％Ｃｒ−８．９ｗｔ％Ｔｉ−４．
０ｗｔ％Ｂを基本とし、このマトリックスに２０ｖｏｌ
％のＴｉＢ₂粒子が分散されている。具体的には、第一
実施例の高剛性鋼は、試料１の組成を基本とし、試料２
〜４となるのにしたがって、Ｔｉ含有量が増加している
合金である。

【００５５】（第一実施例の製造方法）まず、ＳＵＳ４
３０粉末（４５μｍ以下）、ＴｉＢ₂粉末（平均粒径４
μｍ）、ＦｅＴｉ粉末（４５μｍ以下）の各粉末を表１
に示される重量に秤量した。ここで、ＳＵＳ４３０粉
末、ＴｉＢ₂粉末およびＦｅＴｉ粉末は、市販のものが
用いられた。

【００５６】

【表１】

【００５７】つづいて、これらの粉末をＡｒ雰囲気のア
トライタに投入した後に、約１５分間混合機を稼働させ
て均一に混合した。ここで、原料粉末におけるＴｉとＢ
との原子比を表１にあわせて示した。

【００５８】均一に混合された原料粉末を成形金型に投
入し、４ｔｏｎ／ｃｍ²の成形圧力で油圧プレスによ
り、直径２０ｍｍ、高さ３３ｍｍの円柱状に成形した。

【００５９】得られた円柱状成形体を真空雰囲気下、１
２５０℃で１時間加熱して、焼結させることで、高剛性
鋼試料が製造された。

【００６０】（評価）第一実施例の評価として、各試料
に含まれるＴｉＢ₂、およびその他の化合物の体積率な
らびに各試料のヤング率を測定した。この測定結果を図
１に示した。

【００６１】測定は、まず、各試料をビレットとし、機
械的プレスによる熱間押出しを行い、直径７ｍｍの円柱
状試料とした。この押出し材から試料を採取し、抽出残
滓法によりＴｉＢ₂およびその他の化合物量を測定し
た。

【００６２】また、この押出し材から３×４×３０ｍｍ
の試験片をワイヤーカットにより作製した。作製された
試験片は、水晶振動子との共振を利用した複合振動子法
を用いて、ヤング率が測定された。

【００６３】図１より、試料１〜４において、化合物種
としては、ＴｉＢ₂のほか、クロムと鉄を含有するホウ
化物Ｍ₂Ｂ（Ｍ＝Ｃｒ、Ｆｅ）や、クロム、鉄とチタン
から構成されるラーベス相Ｍ₂Ｔｉ（Ｍ＝Ｃｒ、Ｆｅ）
が認められた。また、図１より、試料１〜４において、
原料中のＦｅＴｉ粉末量の増加にともない、Ｍ₂Ｂ相が
減少し、ＴｉＢ₂相が増加している。また、試料４にお
いては、ラーベス相の発生が見られる。このことは、Ｔ
ｉＢ₂はチタン、ホウ素で構成されるが、いずれの元素
も鉄や鉄合金には固溶しにくいため、ＴｉＢ₂の化学量
論比に対して過不足があれば、ＴｉＢ₂以外の化合物種
を形成すると解釈される。

【００６４】また、図１にあわせて示された各試料のヤ
ング率から、ＴｉＢ₂粒子による高ヤング率化の効果が
同等に認められる。具体的には、本実施例の試料１〜４
のヤング率は２６０〜２７０ＧＰａにまで向上してい
る。ここで、一般的な鉄、鋼等の鉄合金のヤング率は最
大で２１０ＧＰａ程度である。このため、本実施例の試
料は、Ｍ₂ＢやＭ₂Ｔｉなど、意図しない化合物種を含有
するにもかかわらず、ＴｉＢ₂粒子による高ヤング率化
の効果が十分に保たれている。

【００６５】（第二実施例）第二実施例は、Ｆｅ系合金
マトリックスと、このマトリックスに分散されたおよそ
２０ｖｏｌ％のＴｉＢ₂粒子と、を有する高剛性鋼であ
る。具体的には、マトリックスとしてさまざまな合金成
分を有するＦｅ系合金と、このマトリックスにおよそ２
０ｖｏｌ％のＴｉＢ₂粒子が分散されている。ここで、
第二実施例は、その基本的な組成がＦｅ−９ｗｔ％Ｔｉ
−４．０ｗｔ％Ｂであり、この他に各試料ごとに固有の
合金成分をマトリックス中に含有している。

【００６６】なお、試料５は基本組成そのままであり、
マトリックスに添加元素を含有しない比較材である。ま
た、試料６、７にはＣｕが、試料８、９にはＷが、試料
１０〜１２にはＭｏが、試料１３、１４にはＣｏが、試
料１５、１６にはＮｂが、マトリックスに添加されてい
る。

【００６７】（第二実施例の製造方法）第二実施例の製
造は、表２に示される配合とした原料粉末を用いた以外
は、第一実施例の製造方法と同様な手順によりなされ
た。具体的には、原料粉末の成形体を焼結させて、製造
する方法である。なお、第二実施例においては、原料粉
末に含まれるＴｉとＢとを、その後の焼結工程において
反応させることで、ＴｉＢ ₂を生成させるとともに、マ
トリックスに分散させた。ここで、表２に示される原料
粉末の配合量は、マトリックス中に生成されるＴｉＢ₂
粒子が２０体積％をしめることを目標に決定されてい
る。

【００６８】なお、それぞれの原料粉末におけるＴｉと
Ｂとの原子比は０．５とした。

【００６９】

【表２】

【００７０】ここで、鉄粉には普通純鉄粉（１８０μｍ
以下）が、Ｔｉ源粉末にはフェロチタン粉末（４５μｍ
以下）が、Ｂ源粉末にはフェロボロン粉末（７５μｍ以
下）が、用いられた。さらに、Ｗ添加にはフェロタング
ステン粉末が、Ｍｏ添加にはフェロモリブデン粉末が、
Ｃｏ添加には電解コバルト粉末が、Ｎｂ添加にはフェロ
ニオブ粉末が、Ｃｕ添加には電解銅粉末が、それぞれ用
いられた。

【００７１】なお、第二実施例の各試料の製造は、原料
粉末の混合に大気雰囲気中でＶ型混合機で１時間混合し
た以外は、第一実施例の各試料の製造方法を用いて製造
された。

【００７２】すなわち、所定量に秤量された原料粉末
を、Ｖ型混合機に投入し、大気雰囲気条件下で１時間混
合機を稼働させて、原料粉末を均一に混合させた。その
後、この混合粉末を成形、焼結させ、各試料が製造され
た。

【００７３】試料番号６〜１６の場合、４Ａ族元素のホ
ウ化物以外に生成する化合物とは、Ｆｅ₂Ｂ等の鉄ホウ
化物、合金に添加された添加元素と鉄との複ホウ化物、
添加元素と４Ａ族元素との金属間化合物であった。その
量は、４Ａ族元素のホウ化物の全体積を１００とした場
合に、いずれも５０以下であった。

【００７４】（評価）第二実施例の評価として、第二実
施例の各試料のヤング率、比ヤング率、引張強さおよび
このときの伸びを測定した。この測定結果を図２〜５に
示した。また、各試料のマトリックスに分散されたＴｉ
Ｂ₂量も測定し、表２にあわせて示した。

【００７５】ここで、評価において、ヤング率のみなら
ず比ヤング率を求めた理由としては、一般に比重の大き
いモリブデン、タングステンなどの金属はヤング率も大
きいので、これらの影響を考慮するためには比ヤング率
（単位比重あたりのヤング率）で比較するのがよいため
である。

【００７６】ここで、測定に用いられた試験片は、３×
４×３０ｍｍの角材試験片および直径６ｍｍの円柱試験
片が用いられた。これらの試験片は、第一実施例の評価
において行われた試験片の作製方法と同様に、押出し材
を作製した後に、機械加工を施すことにより角材試験片
および円柱試験片が製造された。

【００７７】なお、ヤング率の測定は、第一実施例の評
価において用いられた共振を利用した複合振動子法を用
いたヤング率の測定方法が用いられた。

【００７８】図２には、各試料のヤング率の測定結果が
示された。図２より、各試料のヤング率の測定結果は、
いずれも、２３５〜２６０ＧＰａとヤング率が向上して
いる。すなわち、第一実施例の評価において述べたよう
に、普通鋼のヤング率は２００ＧＰａ程度であり、第二
実施例の各試料は、ヤング率が向上している。

【００７９】図３には、各試料の比ヤング率が示され
た。図３より、各試料の比ヤング率は、合金元素の有無
にかかわらずほぼ一定の値となっている。すなわち、試
料６〜１６に添加された各元素は、本質的にＴｉＢ₂粒
子による高ヤング率化を阻害せず、マトリックスのヤン
グ率をその比重に応じて変化させたため、図２では、ヤ
ング率がばらついているように見える。

【００８０】図４には、各試料の引張強さの測定結果を
示した。図４より、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂを添加した試
料は、引張強さが大きく向上している。このように、Ｃ
ｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の元素をマトリックスに含ませる
ことで、高剛性鋼の強度を高めることができる。また、
鉄鋼材料の強度はさまざまであるが、普通炭素鋼の引張
強さは４００〜６００ＭＰａ位であり、本実施例の各試
料の引張強さより低くなっている。

【００８１】図５には、引張強さの試験後の試料の伸び
を示した。図５より、Ｃｏをマトリックスに固溶させる
ことで、高剛性鋼が高い延性を有するようになることが
わかる。

【００８２】ここで、引張強さの測定は、インストロン
型万能試験機（最大荷重５ｔ）を用い、０．５ｍｍ／ｍ
ｉｎのクロスヘッド速度で実施された。

【００８３】第二実施例より、ＴｉＢ₂粒子による高ヤ
ング率化が維持されたまま、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂをマ
トリックスに添加することによって高強度化を、Ｃｏの
添加によって延性向上が達成できる効果を有することが
明らかとなった。

【００８４】（第三実施例）第三実施例は、Ｆｅ系合金
マトリックスと、このマトリックスに分散されたおよそ
２０ｖｏｌ％のＴｉＢ₂粒子と、を有する高剛性鋼であ
る。具体的には、マトリックスに異なる量の炭素を含む
Ｆｅ系合金と、このマトリックスにおよそ２０ｖｏｌ％
のＴｉＢ₂粒子が分散されている。ここで、第三実施例
は、その基本的な組成がＦｅ−９ｗｔ％Ｔｉ−４ｗｔ％
Ｂであり、各試料ごとに異なる量の炭素をマトリックス
中に固溶している。

【００８５】（第三実施例の製造方法）第三実施例の製
造は、表３に示される配合とした原料粉末を用いた以外
は、第二実施例の製造方法と同様な手順によりなされ
た。具体的には、原料粉末の成形体を焼結させて、製造
する方法である。ここで、表３に示される原料粉末の配
合量は、マトリックス中に生成されるＴｉＢ₂粒子が２
０体積％をしめることを目標に決定されている。なお、
それぞれの原料粉末におけるＴｉとＢとの原子比は０．
５とした。

【００８６】

【表３】

【００８７】なお、第三実施例の各試料の原料粉末の鉄
粉、ＦｅＴｉには、第二実施例と同様な粉末材料が用い
られた。また、黒鉛には、平均粒径が５μｍ程度の粉末
が用いられた。

【００８８】第三実施例の製造は、第二実施例と同様の
製造方法を用いて行われた。すなわち、原料粉末を所定
量に秤量した後に、均一に混合し、つづいて、成形を行
い、焼結させることで製造された。

【００８９】（評価）第三実施例の評価として、各試料
のヤング率の測定および曲げ試験を行った。この試験結
果を図６および７に示した。また、各試料のマトリック
スに分散されたＴｉＢ₂量も測定し、表３にあわせて示
した。

【００９０】ここで、測定に用いられた試験片は、角材
試験片および円柱試験片が用いられた。これらの試験片
は、第一および第二実施例の評価において行われた試験
片の作製方法と同様に、押出し材を作製した後に、機械
加工を施すことにより角材試験片および円柱試験片が製
造された。

【００９１】なお、ヤング率の測定は、第一および第二
実施例の評価において用いられた共振を利用した複合振
動子法を用いたヤング率の測定方法が用いられた。

【００９２】図６には、各試料のヤング率の測定結果が
示された。図６より、各試料のヤング率の測定結果は、
いずれも、２５０〜２８０ＧＰａとヤング率が普通鋼と
比較して向上している。ここで、前述したように普通鋼
のヤング率は２００ＧＰａ程度である。また、各試料に
含まれる炭素量が増加するに連れてヤング率は微増して
いる。

【００９３】図７には、曲げ試験における各試料の最大
たわみ量および最大曲げ荷重が示された。図７より、炭
素量が０．５％を超えると最大たわみ量は著しく低下
し、試料５１〜５３ではわずかの荷重で破断する脆い材
料になっていることがわかる。なお、光学顕微鏡および
Ｘ線回折により組織を観察した結果、試料５２、５３に
は、チタン−鉄の複合化合物や鉄ホウ炭化物が多量に形
成されていた。

【００９４】このことから、炭素をマトリックスに配合
することでヤング率の向上を阻害することなく合金の靱
性を向上させることができる。しかしながら、許容量を
超える炭素は、チタンおよびホウ素と結合し、チタンホ
ウ化物の形成を阻害するばかりか、多量の脆弱な化合物
相の形成によって機械的性質に悪影響をおよぼすことが
明らかとなった。

【００９５】

【発明の効果】本発明の高剛性鋼は、マトリックスに高
ヤング率の４Ａ族元素のホウ化物を分散させることで、
全体のヤング率を向上させている。また、高剛性鋼中の
４Ａ族元素の他のホウ化物およびラーベス相を制御し、
これらの生成を抑えることで４Ａ族元素のホウ化物によ
るヤング率の向上効果が阻害されることを防いでいる。
本発明の高剛性鋼は、ターボシャフト等の回転軸、ピス
トン等の往復運動部品に用いると、高い剛性を有するこ
とから、高速での運転が可能になる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施例の試料に含まれる化合物種および
各試料のヤング率の測定結果を示した図である。

【図２】第二実施例の試料のヤング率の測定結果を示
した図である。

【図３】第二実施例の試料の比ヤング率を示した図で
ある。

【図４】第二実施例の試料の引張強さを示した図であ
る。

【図５】第二実施例の試料の引張強さ試験後の試料の
伸びを示した図である。

【図６】第三実施例の試料のヤング率の測定結果を示
した図である。

【図７】第三実施例の試料の曲げ試験における最大曲
げ荷重およびたわみ量を示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西野和彰愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者斎藤卓愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4K018 AA24 AB04 AC01 BA03 BA16 KA62

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄または鉄合金よりなるマトリックス
と、該マトリックス中に分散保持された４Ａ族元素のホ
ウ化物と、を含む高剛性鋼であって、全体を１００体積％とした場合、該４Ａ族元素のホウ化
物は５〜６５体積％を占め、かつ該４Ａ族元素のホウ化
物の全体積を１００とした場合、６０以下の該４Ａ族元
素のホウ化物以外のホウ素を含む化合物、および４Ａ族
元素を含む金属間化合物の少なくとも１種を含むことを
特徴とする高剛性鋼。
【請求項２】前記マトリックスは、該マトリックス全
体を１００重量％とした場合、銅（Ｃｕ）を１０．０重
量％以下含む請求項１記載の高剛性鋼。
【請求項３】前記マトリックスは、該マトリックス全
体を１００重量％とした場合、モリブデン（Ｍｏ）、ニ
オブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン
（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）の１種以上の元素を、その
合計が１０．０重量％以下含む請求項１記載の高剛性
鋼。
【請求項４】前記マトリックスは、該マトリックス全
体を１００重量％とした場合、ニッケル（Ｎｉ）、コバ
ルト（Ｃｏ）の１種以上を、その合計が２５．０重量％
以下含む請求項１記載の高剛性鋼。
【請求項５】前記マトリックスは、該マトリックス全
体を１００重量％とした場合、バナジウム（Ｖ）、クロ
ム（Ｃｒ）の１種以上を、その合計が２５．０重量％以
下含む請求項１記載の高剛性鋼。
【請求項６】前記マトリックスは、該マトリックス全
体を１００重量％とした場合、炭素（Ｃ）を０．５重量
％以下含む請求項１記載の高剛性鋼。
【請求項７】４Ａ族元素のホウ化物粉末、および４Ａ
族元素とボロンを単独またはこれらを同時に含有する複
数の原料粉末の組み合わせのうち、いずれか、あるいは
両者を併用して４Ａ族元素とボロンとの配合比率が原子
比で０．４５〜０．８０となるように調整された４Ａ族
元素のホウ化物原料粉末と、鉄または鉄合金から選択さ
れる１種以上のマトリックス原料粉末とを、混合する原
料混合工程と、該原料粉末混合工程において混合された主原料粉末を所
定の形状に圧粉成形する成形工程と、前記成形工程により得られた成形体を焼結して焼結体を
形成する焼結工程と、を有する高剛性鋼の製造方法。
【請求項８】４Ａ族元素の純金属あるいは４Ａ族元素
を含有する合金原料と、ボロンを含有する合金原料と
を、４Ａ族元素とボロンとの配合比率が原子比で０．４
５〜０．８０となるように配合し、これに、鉄あるいは
鉄合金のマトリックス組成を得るために必要な原料を加
えて、すべての原料を真空中あるいは不活性ガス雰囲気
中で完全に溶融させた後、金型あるいはセラミックス型
へ鋳造して鋼塊を製造する高剛性鋼の製造方法。