JP2003160845A - 鉄基合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強化粒子を添加することなく優れたヤング
率、靱性、強度を有する鉄基合金およびその製造方法を
提供する。 【解決手段】 Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、およ
び添付図面の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される
量のＣとＭｏを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物
からなり、基地組織中にＭ_２Ｃ型炭化物を含む鉄基合金
である。オーステナイト化温度以上の温度から急冷して
固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトと残留
オーステナイトの基地組織と未溶解炭化物の混合組織を
得る第１の熱処理工程と、共析変態温度区間でＭ_２Ｃ型
炭化物を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オ
ーステナイトを析出させる第２の熱処理工程とにより、
上記鉄基合金を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高いヤング率を示
すことにより剛性の向上が図られ、かつ、軽量コンパク
ト化に好適な鉄基合金およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄をベースとする鉄合金や鋼といったい
わゆる鉄基合金は、各種の構造用金属材料としてもっと
も広く利用されている。ところで、あらゆる分野におい
て軽量コンパクト化の要求が高まっている近年では、構
造用金属材料にもその要求を満たす特性が求められてい
る。そのため、従来は高強度化を図ることで対応してき
たが、そのような材料では、強度は満足しても剛性が不
足し、部品によっては軽量コンパクト化が進まないもの
がみられるようになってきている。

【０００３】軽量化を図る上では、材料を軽い金属に置
換する手段があるが、例えば、アルミニウム合金やマグ
ネシウム合金等の軽合金に置換した場合、強度不足のた
め大型化してしまい、コンパクト化は達成しにくい。ま
た、セラミックスを用いて軽量化を図ったものもある
が、靱性が低い上にコストが高くなる等の理由から構造
材には適していない。さらに、鉄にセラミック粒子等の
強化粒子を添加した高ヤング率を示す鉄鋼材の研究も行
われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記強
化粒子の添加においては、強化粒子と基地の密着状態が
完全ではなく、また、強化粒子が結晶粒界に偏析するの
で理論値通りのヤング率が得られないのに加え、強化粒
子の添加量の増加に伴って粒子どうしが凝集して粗大化
し靱性の低下を招くので、疲労強度との両立が困難であ
った。また、強化粒子の存在による高い変形抵抗と、強
化粒子の結晶粒界への偏析による延性の低下は、圧延等
の塑性加工を困難なものとするので、塑性加工によりγ
粒を微細化して靱性の向上を図ることが難しいという問
題もある。一方、従来の高強度材の代表的な材料組織で
あるマルテンサイトは、焼戻しを施すことにより靱性が
高くなるが、元来Ｃが少なく、かつそのＣも大部分が鉄
中に固溶して存在するためＦｅ_３Ｃ（セメンタイト）相
が少なく、Ｆｅ_３Ｃ相の分散によるヤング率の向上は期
待できない。

【０００５】したがって、本発明は、強化粒子を添加す
ることなく、ヤング率、靱性、強度等の機械的特性が高
いレベルで確保され、さらに、これらの特性を確保する
上で比重の上昇が抑えられ、結果として軽量コンパクト
化が図られる鉄基合金およびその製造方法を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、強化粒子の
添加に代わるヤング率向上の手段を鋭意研究した結果、
特定の元素の含有量を規定するとともに、適宜な熱処理
によって基地組織中にヤング率の向上に寄与する微細な
Ｍ_２Ｃ型炭化物を生成させることにより、本発明の目的
が達成され得ることを見い出した。Ｍ_２Ｃ型炭化物と
は、Ｍｅｔａｌ−Ｃ系の炭化物であり、Ｍｅｔａｌ：Ｃ
の原子比が２：１のものを言う。本発明はこのような知
見に基づいてなされたものであって、本発明の鉄基合金
は、Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、および添付図面
の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される量のＣとＭ
ｏを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
基地組織中にＭ_２Ｃ型炭化物を含むことを特徴としてい
る。Ｍ_２Ｃ型炭化物は、この場合、Ｃに対してＭｏが結
合して生成する析出型のＭｏ炭化物からなる。

【０００７】図２は、本発明の鉄基合金の組織を模式的
に示しており、同図に示すように、高い強度および靱性
を示すマルテンサイト（Ｍ）と、高い靱性を示すオース
テナイト（γ）からなる基地組織中に、Ｍｏ_２Ｃ，Ｍｏ
Ｃ等のヤング率が高いＭ_２Ｃ型炭化物（Ｍ_２Ｃ）が点在
している。

【０００８】本発明の鉄基合金は、Ｍｎ：０．５〜１．
７ｗｔ％を含有していてもよい。Ｍｎは脱酸効果、被削
性の向上効果を奏する他、γ相の生成に寄与する。ま
た、本発明の鉄基合金は、Ｖ：３ｗｔ％以下、Ｔｉ：
０．４ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下、Ｃｒ：１
５ｗｔ％以下、Ｂ：０．００５ｗｔ％以下のうちの１種
または２種以上を添加させることができる。Ｖ、Ｔｉお
よびＮｂは炭化物生成元素であり、一方、ＣｒおよびＢ
は基地強化元素である。

【０００９】次に、本発明の鉄基合金の製造方法は、上
記本発明の鉄基合金を好適に製造する方法であって、Ｎ
ｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、および添付図面の図１
に示す線ａで囲まれた領域で示される量のＣとＭｏを含
み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金
に対し、オーステナイト化温度以上の温度から急冷して
固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトと残留
オーステナイトの基地組織と未溶解炭化物の混合組織を
得る第１の熱処理工程と、共析変態温度区間でＭ_２Ｃ型
炭化物を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オ
ーステナイトを析出させる第２の熱処理工程とを有する
ことを特徴としている。

【００１０】本発明の製造方法は、まず、上記組成から
なる鉄基合金の材料を溶製等の手段によって得る。この
とき、ＭｏはＭｏ_６Ｃの状態で存在している。次に、必
要に応じて塑性加工等の成形加工を行った後に、第１の
熱処理工程でＭｏ系炭化物が完全に固溶する９００℃以
上、好ましくは１０００℃以上の温度に加熱保持してか
ら、急冷する。急冷用の冷媒は、材料を十分に急冷可能
な容量を用意できれば水を用いてもよく、その場合に焼
割れ等の問題が生じるようであれば、油冷または塩浴焼
入れを採用することができる。第１の熱処理工程によっ
て得られる組織は、マルテンサイトと残留オーステナイ
ト（γ相）の基地組織と、主にＭｏ系炭化物である固溶
されない未溶解炭化物との混合組織である。

【００１１】第２の熱処理工程は、第１の熱処理工程で
得られた材料に対し焼戻しを行ってＭ_２Ｃ型炭化物を生
成させるとともに、γ相を析出させる工程である。焼戻
しは、共析変態温度（Ａ１変態温度）で所定時間保持し
た後、冷却する。このとき、Ｎｉを０．２５〜４．７５
ｗｔ％含むことにより共析変態温度は操業上の温度ばら
つきを許容し得る温度区間を生じる。前記温度区間内で
は、フェライト、オーステナイト、炭化物の三者の共存
領域が形成されるので、この領域内に所定時間保持する
ことにより、マルテンサイトは焼戻しマルテンサイトお
よびオーステナイトに変態する。これらの変態の結果、
過飽和のＭｏが炭化物として析出する。変態のための保
持時間が短すぎると、Ｍｏ_２Ｃの析出が不十分となり、
保持時間が長すぎると焼戻しマルテンサイトがオーステ
ナイトに変態し、そのオーステナイトに炭素が固溶して
いくので、最終組織の焼戻しマルテンサイトが減少し、
代わりに高炭素オーステナイトから変態したパーライト
が生成するので、靱性が低下する。上記保持時間は３０
〜１２０分の範囲でＭ_２Ｃ型炭化物が得られるが、４５
〜１０５分であればＭ_２Ｃ型炭化物量が最大になるので
望ましい。

【００１２】共析変態温度で焼戻しを行う理由は、共析
変態温度を下回る温度ではＭ_２Ｃ型炭化物の生成に長時
間を要し、共析変態温度を超えた温度ではマルテンサイ
トが速やかにオーステナイトに変態してしまうのでＭ_２
Ｃ型炭化物が得られず、ヤング率および強度が低下する
からである。

【００１３】次に、保持後の冷却段階において、Ｎｉを
０．２５〜４．７５ｗｔ％含むことによりＡ１変態点以
下の温度においてフェライトからオーステナイトを生じ
る変態が起こる。このようにして生成するオーステナイ
トは固溶している炭素量が少ないので、きわめて高い靱
性と延性を持つ。なお、Ｎｉに加えてＭｎを０．５〜
１．７ｗｔ％含むと、共析変態温度区間がより拡大する
ので操業管理が容易になる。また、析出処理後の冷却時
にオーステナイト生成を補助する効果もある。

【００１４】このような第１および第２の熱処理によっ
て得られた材料組織は、焼戻しマルテンサイトと低炭素
オーステナイトからなる基地組織中にＭ_２Ｃ型炭化物が
点在する組織となるので、高い強度およびヤング率と、
優れた靱性を示す。

【００１５】本発明の鉄基合金中に含まれる上記Ｍ_２Ｃ
型炭化物は、含有量が多ければ多いほどヤング率が向上
するが、体積率が１００％の場合にはセラミックスであ
り、靱性、延性、機械加工性、コスト等の諸条件をバラ
ンスよく満足させる上で、適宜な量が求められる。Ｍ_２
Ｃ型炭化物は、靱性、延性等の機械的特性の面からは体
積率３２％が上限とされるが、コストを考慮すると体積
率の上限は２５％が好ましい。また、含有量の下限とし
ては、ヤング率を向上させる上で体積率１７％以上が必
要とされる。

【００１６】本発明で得られる鉄基合金の基地組織は、
低Ｃ濃度である亜共析が好ましい。本発明の鉄基合金の
基本組成は、Ｃ濃度が比較的高く、通常ならば過共析組
織となる。一般的に炭素鋼は、Ｃ濃度が高ければ高いほ
ど靱性および延性は低下し、これは、炭化物が網目状に
析出することに起因する。そこで、基地組織を亜共析化
させて低Ｃ濃度にするには、共析温度よりも高い温度で
炭化物を生成させて基地組織のＣ濃度を低下させる。そ
のためには、Ｆｅよりも活性でヤング率の高い炭化物を
生成する元素の添加が有効であり、上記Ｖ，Ｔｉ，Ｎ
ｂ，Ｂ等がそれらに好適な元素である。溶融状態から固
化する際の初晶あるいは初析におけるこれら元素の炭化
物により、基地組織のＣ濃度が共析濃度を下回り、亜共
析化する。炭化物は網目状よりは片状、片状よりは球状
の方が靱性および延性が向上する。亜共析中の炭化物は
球状に生成しやすいので、基地組織は亜共析が好ましい
のである。

【００１７】次に、本発明の鉄基合金に含まれる各元素
の数値限定の根拠を述べる。 ＣおよびＭｏ：図１に示す線ａで囲まれた領域で示され
る量 この領域内にＣおよびＭｏの含有量が制御されることに
より、Ｍ_２Ｃ型以外の炭化物の生成が抑制されるととも
に、Ｍ_２Ｃ型炭化物の体積率が１７〜３２％に制御され
る。本発明は、体積率に関してこの数値を達成すること
を目的としている。

【００１８】Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％ Ｎｉは、本発明における第２の熱処理工程において共析
変態温度に操業のばらつきを許容し得る温度区間を生じ
させ、その区間内でのＭ_２Ｃ型炭化物の生成を可能にす
る。また、保持後の冷却段階においてフェライトからオ
ーステナイトを生成させ、材質の剛性、強度および靱性
を向上させる。Ｎｉが０．２５ｗｔ％を下回ると上記効
果が得られない。一方、Ｎｉが４．７５ｗｔ％を超える
と、最終組織中にＣを多く固溶した高炭素オーステナイ
ト相が現れるため、強度、靱性および延性が低下する。
したがって、Ｎｉの含有量を０．２５〜４．７５ｗｔ％
とした。

【００１９】Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％ Ｍｎは脱酸効果を有することから鉄鋼には必ず添加され
る。さらに、Ｓと化合物を形成することにより被削性の
向上に寄与する。また、Ｎｉと合わせて添加することに
より、本発明における第２の熱処理工程において共析変
態温度に操業のばらつきを許容し得る温度区間を拡大さ
せ、その区間内でのＭ_２Ｃ型炭化物の生成を容易にす
る。また、保持後の冷却段階においてオーステナイト生
成を補助する。Ｍｎが０．５ｗｔ％を下回ると、Ｎｉと
の併用添加による本発明の第２の熱処理工程における効
果が得られない。一方、Ｍｎが１．７ｗｔ％を超える
と、最終組織中にＣを多く固溶した高炭素オーステナイ
ト相が現れるため、強度、靱性および延性が低下する。
したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜１．７ｗｔ％とし
た。

【００２０】Ｖ：３ｗｔ％以下 ＶはＶ炭化物を生成し、晶出、析出の生成形態を持つ。
Ｖ炭化物（ＶＣ）は密度が小さく鉄よりもヤング率が高
く、また、鉄との相性もよく高速度鋼にも用いられる。
Ｖは生成エネルギーが高いため高温で生成し、低温で生
成する炭化物の核となって複炭化物となるので、３ｗｔ
％以下の添加が望ましい。

【００２１】Ｔｉ：０．４ｗｔ％以下 Ｔｉは炭化物生成元素として有効であり、晶出、析出双
方の形態で生成する。Ｔｉ炭化物（ＴｉＣ）はＶを固溶
するので複炭化物を生成しやすい。したがって、Ｔｉの
含有量を０．４ｗｔ％以下とした。

【００２２】Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下 ＮｂはＶと同様に炭化物生成元素として有効であり、晶
出、析出双方の形態で生成する。Ｎｂ炭化物（ＮｂＣ）
はＶ炭化物よりも比剛性がやや劣り、ヤング率の向上よ
りも基地の強化として有効である。これらを鑑み、Ｎｂ
の含有量を０．６ｗｔ％以下とした。

【００２３】Ｃｒ：１５ｗｔ％以下 Ｃｒの添加量は工具鋼並みとし、最大添加量を１５ｗｔ
％とした。なお、構造用鋼として使用する場合は、３．
５ｗｔ％以下が望ましい。

【００２４】Ｂ：０．００５ｗｔ％以下 Ｂの添加量はＢ鋼並みとし、最大添加量を０．００５ｗ
ｔ％とした。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 （１）ＣとＭｏの最適範囲を求める実施例 下記の実施例および比較例の鉄基合金を製造し、これら
の炭化物の体積率を求めることにより、本発明の目的を
達成し得るＣとＭｏの最適な含有量の範囲を確かめた。

【００２６】〈実施例１〜１２〉ＣおよびＭｏの含有量
が表１に示す実施例１〜１２の鉄基合金材料をそれぞれ
１００ｋｇ溶解して調製した後、鋳造、熱間圧延を経て
直径２０ｍｍの丸棒状のサンプルを得た。次いで、実施
例１〜１２のサンプルにつき、１１００℃の温度に保持
した状態から水冷する第１の熱処理工程を行い、続い
て、６４０℃で１時間加熱した後に空冷する第２の熱処
理工程を行った。

【００２７】

【表１】

【００２８】〈比較例１〜１１〉ＣおよびＭｏの含有量
が表１に示す比較例１〜１１の鉄基合金からなるサンプ
ルを上記実施例と同様にして得、これらサンプルにつき
実施例と同様の熱処理を行った。

【００２９】図１は、実施例１〜１２と比較例１〜１１
のＣ含有量とＭｏ含有量の組み合わせを示しており、同
図における線ａで囲まれた領域が本発明で定められるＣ
含有量とＭｏ含有量の組み合わせである。

【００３０】次いで、上記各実施例および各比較例の各
サンプルにつき、炭化物の体積率：Ｍｏ_２Ｃ％、Ｍ_７Ｃ
_３％、Ｍ_６Ｃ％およびこれらの総和であるＶｆ％を調べ
た。その結果を表１に併記する。ここで、Ｍｏ_２Ｃおよ
びＭ_７Ｃ_３はＭ_２Ｃ型炭化物であり、ヤング率の向上に
最も寄与する重要な炭化物である。また、Ｍ_６Ｃは金属
元素６（Ｗ，Ｆｅ，Ｍｎのうちの１種または２種以上）
に炭素１が結びついた炭化物で、ヤング率の向上にはほ
とんど寄与しない。なお、炭化物の体積率の測定方法
は、Ｘ線回折装置（ＲＩＧＡＫＵ社製：ＲＩＮＴ−２０
００）を用いて測定した。

【００３１】表１の測定結果によれば、本発明の実施例
ではＭ_２Ｃ型以外の炭化物の生成が抑制されるととも
に、Ｍ_２Ｃ型炭化物の体積率が１７〜３０％に制御され
ており、したがって、ヤング率、靱性、延性等の各種特
性が高いレベルで確保されることが推測される。一方、
本発明に対する比較例では、Ｍ_２Ｃ型以外の炭化物が生
成しているか、あるいはＭ_２Ｃ型炭化物の体積率が上記
範囲を逸脱することから、本発明の目的は達成されない
ことが推測される。

【００３２】図３は、実施例５の鉄基合金の金属組織を
示す顕微鏡写真である。この写真によると、基地組織
は、第１の熱処理によりマルテンサイト化した後、第２
の熱処理により焼戻された焼戻しマルテンサイト組織と
オーステナイトであり、そこに炭化物（Ｍｏ_２Ｃ）が分
散している。オーステナイトは、第２の熱処理の冷却中
に基地組織から析出するものであり、このため、Ｃが少
ない状態からの析出となり、きわめて粘性が高い特性を
有する。

【００３３】（２）特性試験 表２に示す実施例１３と比較例１２の成分を有する鉄基
合金材料を、上記実施例１〜１２と同様に溶製、鋳造、
圧延して直径２０ｍｍの丸棒状のサンプルを得た。これ
らサンプルから、比重、ヤング率、疲労強度、引張り強
さの４つの特性を測定するための所定形状の試験片を、
切削加工により作製した。次いで、実施例１３の試験片
については上記実施例１〜１２と同様の熱処理を施し、
一方、比較例１２の試験片には一般的な浸炭処理（浸炭
雰囲気からの焼入れ後、低温で焼戻し）を施した。

【００３４】

【表２】

【００３５】次に、実施例１３および比較例１２の各試
験片に仕上げの切削加工を施し、それら試験片を用いて
上記４つの特性を調べた。測定方法は以下の通りであ
る。

【００３６】・比重 アルキメデス法に基づき、試験片の大気中での重量およ
び水中での重量（体積）をそれぞれ上皿天秤により測定
して双方の測定値から計算した。 ・ヤング率 超音波法を用いた。すなわち、超音波を試験片に当てて
縦波と横波の反射時間から速度を計り、比重から算出し
た。 ・疲労強度 小野式回転曲げ疲労試験機（東京試験機製作所社製：Ｆ
ＴＯ−１０Ｈ）を用いて測定した。 ・引張り強さ 引張り試験機（島津製作所社製：ＡＧ−５０００Ｃ）に
より、荷重をロードセル、伸びは歪みゲージを用いて測
定した。これらの結果を、表３に示す。

【００３７】

【表３】

【００３８】表３から明らかなように、本発明に係る実
施例１３は、比較例１２の鉄基合金と同等の比重であり
ながらも、比較例１２と比べると機械的諸特性が優れて
おり、したがって、軽量コンパクト化を達成できること
が確かめられた。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、延性等
の各種特性が高いレベルで確保され、さらに、これらの
特性を確保する上で比重の上昇が抑えられるので、軽量
コンパクト化に好適な鉄基合金として有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例と本発明に対する比較例の鉄
基合金のＣ含有量とＭｏ含有量の関係を示す図である。

【図２】 本発明の鉄基合金の金属組織を模式的に示す
図である。

【図３】 実施例の鉄基合金の金属組織を示す顕微鏡写
真である。

【符号の説明】

Ｍ…マルテンサイト Ｍ_２Ｃ…Ｍ_２Ｃ型炭化物 γ…オーステナイト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 範之 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、およ
   び添付図面の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される
   量のＣとＭｏを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物
   からなり、基地組織中にＭ_２Ｃ型炭化物を含むことを特
   徴とする鉄基合金。
2. 【請求項２】 Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％を含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の鉄基合金。
3. 【請求項３】 Ｖ：３ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．４ｗｔ％
   以下、Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５ｗｔ％以
   下、Ｂ：０．００５ｗｔ％以下のうちの１種または２種
   以上を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の
   鉄基合金。
4. 【請求項４】 Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、およ
   び添付図面の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される
   量のＣとＭｏを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物
   からなる鉄基合金に対し、オーステナイト化温度以上の
   温度から急冷して固溶化処理を施し、これによってマル
   テンサイトと残留オーステナイトの基地組織と未溶解炭
   化物の混合組織を得る第１の熱処理工程と、 共析変態温度区間でＭ_２Ｃ型炭化物を析出させた後に冷
   却し、これによって低炭素オーステナイトを析出させる
   第２の熱処理工程とを有することを特徴とする鉄基合金
   の製造方法。