JP2015048500A - Metal material and method of producing metal material - Google Patents

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惠 飴山
Megumi Ameyama
惠 飴山
チョンチャロエン サワングラット
Sawangrat Choncharoen
チョンチャロエン サワングラット
理 山口
Osamu Yamaguchi
理 山口
クマール バジパイ サンジャイ
Kumar Vajpai Sanjay
クマール バジパイ サンジャイ
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal material which can keep ductility while increased in strength.SOLUTION: The metal structure of a metal material contains a fine grain structure region 1 composed of fine crystal grains 1a and a plurality of coarse grain structure regions 2 composed of coarse crystal grains 2a having an average crystal grain size larger than the average crystal grain size of the fine crystal grains 1a. The fine grain structure region 1 has a network structure with the plurality of coarse grain structure regions 2 dispersed and dotted in the fine grain structure region 1. The fine crystal grains 1a form a two-phase structure containing two types of crystal grains mutually different in crystal structure.

Description

本発明は、金属の粉末粒子を焼結することにより得られる金属材料、及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a metal material obtained by sintering metal powder particles, and a method for producing the metal material.

一般に、金属材料では高強度化を図るために、結晶組織の微細化が行われることがある。
例えば、特許文献1には、生体用金属材料として用いられるCo−Cr−Mo合金の結晶組織の微細化について、予め合金中に窒素を添加することで、微細な窒化物を組織中に析出させる方法が開示されている。この方法によれば、組織中に析出させた微細な窒化物によって結晶粒の成長を抑制することで結晶組織の微細化を行いつつ、窒化物による析出強化を図ることができる。
Generally, in order to increase the strength of a metal material, the crystal structure may be refined.
For example, in Patent Document 1, regarding the refinement of the crystal structure of a Co—Cr—Mo alloy used as a biomaterial, nitrogen is added to the alloy in advance to precipitate fine nitrides in the structure. A method is disclosed. According to this method, the precipitation strengthening by nitride can be achieved while the crystal structure is refined by suppressing the growth of crystal grains by the fine nitride deposited in the structure.

特開2011−184783号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-184783

しかし、上記従来例においては、結晶組織の微細化によって金属材料として高強度化を図ることはできるが、強度を高めれば高めるほど延性については低下することとなり、加工性を低下させるだけでなく、生体用金属材料としての適性をも損なうおそれがある。   However, in the above-described conventional example, it is possible to increase the strength as a metal material by refining the crystal structure, but the higher the strength, the lower the ductility, not only lower the workability, There is a possibility that the suitability as a metal material for a living body may be impaired.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、強度を高めつつも延性を維持できる金属材料を得るための技術を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the technique for obtaining the metal material which can maintain a ductility, raising a intensity | strength.

本願発明者らは、強度を高めたとしても延性を維持できる金属材料について、鋭意研究を重ねていた。その中で、高強度化に必要な微細結晶組織と、延性を維持するために必要な粗大結晶組織とを組み合わせつつ、適切な構造とすることで強度を高めたとしても延性を維持できるという知見を得た。
本願発明者らは、上記知見に基づいて本願発明を完成させた。
The inventors of the present application have made extensive studies on metal materials that can maintain ductility even when the strength is increased. Among them, the knowledge that the ductility can be maintained even if the strength is increased by combining the fine crystal structure necessary for increasing the strength and the coarse crystal structure necessary for maintaining the ductility, with an appropriate structure. Got.
The present inventors have completed the present invention based on the above findings.

(1)すなわち、本発明は、実質的に単一の金属又は合金からなる金属材料であって、前記金属材料の金属組織が、微細結晶粒によって構成されている微細粒組織領域と、前記微細結晶粒の平均結晶粒径よりも大きい平均結晶粒径の粗大結晶粒によって構成されている複数の粗大粒組織領域と、を含み、前記微細粒組織領域は、前記複数の粗大粒組織領域が当該微細粒組織領域内に分散点在することによって網目状組織とされ、前記微細結晶粒は、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒を含むことで2相組織とされている。 (1) That is, the present invention is a metal material substantially composed of a single metal or alloy, and the metal structure of the metal material is a fine grain structure region constituted by fine crystal grains; A plurality of coarse grain structure regions composed of coarse crystal grains having an average crystal grain size larger than an average crystal grain size of the crystal grains, and the fine grain structure region includes the plurality of coarse grain structure regions. By being dispersed in the fine grain structure region, a network structure is formed, and the fine crystal grains have a two-phase structure by including two kinds of crystal grains having different crystal structures.

上記のように構成された金属材料によれば、複数の粗大粒組織領域を微細粒組織領域内に分散点在させることによって、当該金属材料の高強度化に寄与する微細粒組織領域が網目状組織とされているので、変形の自由度を維持しつつ素材全体としての強度を高めることができる。さらに、微細粒組織領域の網目内部に、金属材料の延性維持に寄与する粗大粒組織領域が配置されるので、強度については、微細粒組織領域に負担させ、延性については粗大粒組織領域に負担させることができる。この結果、強度を高めつつも延性を維持できる。
さらに、微細粒組織領域は、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒を含むことで2相組織とされているので、異なる結晶粒同士を組み合わせることで、強度及び延性の調整の仕方の自由度を高めることができる。
According to the metal material configured as described above, a plurality of coarse grain structure regions are dispersed and dispersed in the fine grain structure region, whereby the fine grain structure region contributing to high strength of the metal material has a mesh shape. Since it is made into an organization, the strength of the entire material can be increased while maintaining the degree of freedom of deformation. Furthermore, since a coarse grain structure region that contributes to maintaining the ductility of the metal material is arranged inside the mesh of the fine grain structure area, strength is borne by the fine grain structure area, and ductility is borne by the coarse grain structure area. Can be made. As a result, ductility can be maintained while increasing strength.
Further, since the fine grain structure region has a two-phase structure by including two kinds of crystal grains having different crystal structures, the degree of freedom in adjusting strength and ductility by combining different crystal grains. Can be increased.

(2)上記金属材料において、前記2種類の結晶粒のいずれか一方の結晶構造が六方細密構造であることが好ましく、この場合、強度的に有利な六方細密構造の結晶粒を六方細密構造以外の結晶粒に適度に分散させることができ、例えば、六方細密構造の結晶粒のみ、或いは六方細密構造以外の結晶粒のみの単相組織の場合と比較して、延性を損なわない程度に適度に微細粒組織領域の強度を高めることができる。この結果、延性を維持しつつ金属材料の強度をより高めることができる。 (2) In the metal material, the crystal structure of one of the two types of crystal grains is preferably a hexagonal close-packed structure. In this case, crystal grains having a hexagonal close-packed structure advantageous in terms of strength are other than the hexagonal close-packed structure. Compared to the case of a single-phase structure of only a hexagonal close-packed crystal grain or a crystal grain other than a hexagonal close-packed structure, for example, it is appropriately dispersed to such an extent that the ductility is not impaired. The strength of the fine grain structure region can be increased. As a result, the strength of the metal material can be further increased while maintaining ductility.

(3)また、結晶構造が六方細密構造である結晶粒が微細粒組織領域の断面面積率に対して40%未満の割合である場合、微細粒組織領域が必要な強度を得ることができないおそれがある。
このため、結晶構造が六方細密構造である結晶粒は、微細粒組織領域の断面面積率に対して40%以上の割合で含まれていることが好ましい。このように構成することで、微細粒組織領域に必要な強度を付与することができる。
(3) In addition, when the crystal grains having a hexagonal close-packed structure have a ratio of less than 40% with respect to the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region, the fine grain structure region may not be able to obtain the required strength. There is.
For this reason, it is preferable that the crystal grain whose crystal structure is a hexagonal close-packed structure is contained at a ratio of 40% or more with respect to the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region. By comprising in this way, required intensity | strength can be provided to a fine grain structure area | region.

(4)また、前記微細粒組織領域の割合は、断面面積率で20%以上、70%以下であることが好ましい。微細粒組織領域の割合が断面面積率で20%未満である場合、金属材料の強度を十分に高めることができないおそれがある。また、微細粒組織領域の割合が断面面積率で70%より大きいと、必要な延性を確保できないおそれがある。 (4) Moreover, it is preferable that the ratio of the said fine grain structure area | region is 20% or more and 70% or less in a cross-sectional area ratio. When the ratio of the fine grain structure region is less than 20% in terms of the cross-sectional area ratio, the strength of the metal material may not be sufficiently increased. Further, if the ratio of the fine grain structure region is larger than 70% in terms of the cross-sectional area ratio, the required ductility may not be ensured.

(5)また、前記微細結晶粒の平均結晶粒径は、5μm以下であることが好ましい。微細結晶粒の平均結晶粒径が5μmより大きくなると、微細粒組織領域が必要な強度を得ることができないおそれがあるからである。 (5) Moreover, it is preferable that the average crystal grain diameter of the said fine crystal grain is 5 micrometers or less. This is because if the average crystal grain size of the fine crystal grains is larger than 5 μm, the fine grain structure region may not obtain the required strength.

(6)上記金属材料は、前記実質的に単一の金属又は合金からなる粉末粒子を焼結することによって形成されたものであることが好ましい。この場合、粉末粒子の結晶組織を調整することで、金属材料の結晶組織の制御を容易に行うことができる。 (6) It is preferable that the metal material is formed by sintering powder particles made of the substantially single metal or alloy. In this case, the crystal structure of the metal material can be easily controlled by adjusting the crystal structure of the powder particles.

(7)前記単一の金属又は合金は、Co−Cr−Mo合金、オーステナイト系ステンレス鋼、及びマンガン鋼から選択される少なくとも1種であることが好ましい。 (7) The single metal or alloy is preferably at least one selected from a Co—Cr—Mo alloy, an austenitic stainless steel, and a manganese steel.

(8)また、本発明は、前記実質的に単一の金属又は合金からなる粉末粒子を焼結することによって得られる金属材料の製造方法であって、(A)前記粉末粒子の表面に、当該粉末粒子を構成している結晶粒の平均結晶粒径よりも小さい平均結晶粒径の微細結晶粒によって構成されている表面部微細粒組織領域を形成し、表面に前記表面部微細粒組織領域を有しかつ中心部に前記微細結晶粒の平均結晶粒径よりも大きい平均結晶粒径の粗大結晶粒によって構成されている粗大粒組織領域を有する中間粒子を得る工程と、(B)前記中間粒子を焼結することで、各中間粒子の前記表面部微細粒組織領域同士を互いに結合させ、金属組織が、前記表面部微細粒組織領域同士が互いに結合することで網目状組織とされた微細粒組織領域と、前記中間粒子に含まれていた複数の前記粗大粒組織領域と、を含んだ金属材料であって、複数の前記粗大粒組織領域が前記微細粒組織領域の網目内部に配置されている金属材料を形成する工程と、を含み、前記工程(B)において、前記中間粒子を焼結する際の昇温によって、昇温前の前記微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の固相とは異なる他の固相の結晶粒を、前記金属組織に析出させる方法である。 (8) Moreover, this invention is a manufacturing method of the metal material obtained by sintering the powder particle which consists of the said substantially single metal or an alloy, (A) On the surface of the said powder particle, The surface portion fine grain structure region formed by the fine crystal grains having an average crystal grain size smaller than the average crystal grain size of the crystal grains constituting the powder particles is formed on the surface. And (B) said intermediate | middle which has a coarse-grain structure area | region comprised by the coarse crystal grain of an average crystal grain size larger than the average crystal grain size of said fine crystal grain in the center part, By sintering the particles, the surface fine-grain structure regions of each intermediate particle are bonded to each other, and the metal structure is a fine structure having a network structure by bonding the surface fine-grain structure regions to each other. Grain structure region and the middle A metal material including a plurality of the coarse grain structure regions included in the child, wherein the plurality of coarse grain structure regions are disposed inside the mesh of the fine grain structure region. And the step (B) is different from the solid phase of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region before the temperature rise due to the temperature rise when the intermediate particles are sintered in the step (B). The solid phase crystal grains are precipitated in the metal structure.

上記構成の金属材料の製造方法によれば、工程(B)における昇温によって、昇温前の微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の固相とは異なる他の固相の結晶粒を析出させるので、微細粒組織領域をさらに微細な結晶粒からなる金属組織とすることができる。この結果、その後より高温で保持されたとしても、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒が粗大化するのを抑制できる。   According to the method for producing a metal material having the above-described configuration, the solid phase crystal grains different from the solid phase of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region before the temperature rise due to the temperature rise in the step (B). Therefore, the fine grain structure region can be made a metal structure composed of finer crystal grains. As a result, even if it is kept at a higher temperature thereafter, it is possible to suppress the coarsening of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region.

(9)(10)前記工程(A)において、前記粉末粒子に強加工を施すことで、前記粉末粒子の表面に前記表面部微細粒組織領域を形成することが好ましく、さらに、前記強加工は、メカニカルミリング処理であることが好ましい。
この場合、粉末粒子の表面にメカニカルミリング処理による強加工を行うことで、中間粒子表面に微細な結晶粒組織を有する表面部微細粒組織領域を形成することができる。
(9) (10) In the step (A), it is preferable to form the surface portion fine grain structure region on the surface of the powder particles by subjecting the powder particles to strong processing. The mechanical milling process is preferred.
In this case, the surface part fine grain structure area | region which has a fine grain structure can be formed in the intermediate particle surface by performing the strong process by the mechanical milling process on the surface of a powder particle.

(11)前記工程(A)において、前記粉末粒子の表面に存在する準安定相の部分を、前記メカニカルミリング処理によって安定相に変態させることで、前記粉末粒子の表面に実質的に安定相の単相とされた前記表面部微細粒組織領域を形成するものであり、前記工程(B)において、前記他の固相が準安定相であり、前記中間粒子を焼結する際の昇温によって、前記微細粒組織領域に準安定相の結晶粒を析出させることが好ましい。 (11) In the step (A), the portion of the metastable phase present on the surface of the powder particles is transformed into a stable phase by the mechanical milling treatment, so that the surface of the powder particles is substantially stabilized. In the step (B), the other solid phase is a metastable phase, and the intermediate particles are heated by sintering when the intermediate particles are sintered. It is preferable to precipitate metastable phase crystal grains in the fine grain structure region.

この場合、粉末粒子が準安定相を含むものであったとしても、工程(A)によって、表面部微細粒組織領域を実質的に安定相の単相とすることができ、微細粒組織領域を実質的に安定相の単相とすることができる。このため、工程(B)における昇温によって、準安定相の結晶粒を確実かつ均一に析出させることができ、微細粒組織領域を均一に微細化することができる。この結果、微細粒組織領域における結晶粒の粗大化を均一に抑制することができる。   In this case, even if the powder particles include a metastable phase, the surface portion fine grain structure region can be substantially made into a single phase of the stable phase by the step (A). It can be made into a substantially stable single phase. For this reason, by the temperature increase in the step (B), the crystal grains of the metastable phase can be surely and uniformly precipitated, and the fine grain structure region can be uniformly refined. As a result, the coarsening of crystal grains in the fine grain structure region can be suppressed uniformly.

(12)また、前記工程(B)において、前記単一の金属又は合金が固相変態を開始する温度を通過するように昇温することで、前記他の固相の結晶粒を析出させることが好ましい。 (12) Also, in the step (B), by raising the temperature so that the single metal or alloy passes the temperature at which solid phase transformation starts, the other solid phase crystal grains are precipitated. Is preferred.

(13)上記方法において、前記単一の金属又は合金は、Co−Cr−Mo合金、オーステナイト系ステンレス鋼、Ti−Al−V合金、Ni−Ti合金、及びマンガン鋼から選択される少なくとも1種であることが好ましい。 (13) In the above method, the single metal or alloy is at least one selected from a Co—Cr—Mo alloy, an austenitic stainless steel, a Ti—Al—V alloy, a Ni—Ti alloy, and a manganese steel. It is preferable that

本発明によれば、強度を高めつつも延性を維持できる金属材料を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a metal material capable of maintaining ductility while increasing strength.

本発明の一実施形態に係る金属材料の金属組織を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the metal structure of the metal material which concerns on one Embodiment of this invention. 本実施形態に係る金属材料の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the metal material which concerns on this embodiment. 金属材料を製造する際の各工程によって変化する粉末粒子の結晶粒の態様を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the aspect of the crystal grain of the powder particle which changes with each process at the time of manufacturing a metal material. 焼結工程における焼結条件の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the sintering conditions in a sintering process. 焼結工程における金属材料の微細粒組織領域の結晶粒の変化を示した図であり、(a)は、焼結工程における温度条件と、変態を開始する温度との関係を示した図、(b)は、各相の温度領域における微細粒組織領域の結晶粒の変化を示す図である。It is the figure which showed the change of the crystal grain of the fine-grain structure area | region of the metal material in a sintering process, (a) is the figure which showed the relationship between the temperature conditions in a sintering process, and the temperature which starts a transformation, (b) is a figure which shows the change of the crystal grain of the fine grain structure area | region in the temperature area | region of each phase. 焼結工程における金属材料の微細粒組織領域1の結晶粒の変化を示した他の例を示す図であり、(a)は、本例の焼結工程における温度条件と、変態を開始する温度との関係を示した図、(b)は、本例における各相ごとの温度領域における微細粒組織領域の結晶粒の変化を示す図である。It is a figure which shows the other example which showed the change of the crystal grain of the fine-grain structure area | region 1 of the metal material in a sintering process, (a) is the temperature conditions in the sintering process of this example, and the temperature which starts a transformation (B) is a figure which shows the change of the crystal grain of the fine grain structure area | region in the temperature area | region for every phase in this example. 試験例1における中間粒子の観察結果を示す図であり、(a)は、実験例1で得られた中間粒子の観察結果、(b)は、実験例2で得られた中間粒子の観察結果、(c)は、実験例3で得られた中間粒子の観察結果、(d)は、実験例4で得られた中間粒子の観察結果である。It is a figure which shows the observation result of the intermediate particle in Test Example 1, (a) is the observation result of the intermediate particle obtained in Experimental Example 1, (b) is the observation result of the intermediate particle obtained in Experimental Example 2. (C) is an observation result of the intermediate particles obtained in Experimental Example 3, and (d) is an observation result of the intermediate particles obtained in Experimental Example 4. 試験例2による中間粒子のX線回折パターンを示す図であり、最下段がメカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例1)を示す図、最上段がメカニカルミリング処理を行った後のもの(処理時間54ks:実験例2)を示す図である。また、下から2段目及び3段目には、メカニカルミリング処理の処理時間が0.6ks、3.6ksのもののX線回折パターンを示している。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the intermediate particle by Experiment 2, the figure which shows the thing (processing time 0ks: Experimental example 1) which the lowermost stage has not performed the mechanical milling process, and the uppermost stage performed the mechanical milling process It is a figure which shows the latter thing (processing time 54ks: Experimental example 2). The second and third stages from the bottom show X-ray diffraction patterns with mechanical milling time of 0.6 ks and 3.6 ks. 試験例2による中間粒子のX線回折パターンを示す図であり、実験例1〜4によるX線回折パターンを示している。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the intermediate particle by Test Example 2, and has shown the X-ray-diffraction pattern by Experimental Examples 1-4. 実験例5における温度条件及び圧力条件を示す図である。It is a figure which shows the temperature condition and pressure condition in Experimental example 5. FIG. 試験例3における各金属材料における結晶粒界マップを示す図であり、(a)は、実験例5で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、実験例6で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(c)は、実験例7で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(d)は、実験例8で得られた金属材料の結晶粒界マップである。It is a figure which shows the crystal grain boundary map in each metal material in Test Example 3, (a) is the crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 5, and (b) is obtained in Experimental Example 6. The crystal grain boundary map of the metal material, (c) is the crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 7, and (d) is the crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 8. (a)は、微細粒組織領域の断面面積率と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフであり、(b)は、微細粒組織領域及び粗大粒組織領域を構成する結晶粒の平均結晶粒径と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between the cross-sectional area ratio of a fine grain structure area | region, and the processing time of a mechanical milling process, (b) is a crystal grain which comprises a fine grain structure area | region and a coarse grain structure area | region. It is a graph which shows the relationship between an average crystal grain diameter and the processing time of a mechanical milling process. Co−Cr2元状態図である。It is a Co-Cr binary state diagram. マイクロビッカース硬さ試験における測定箇所を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement location in a micro Vickers hardness test. 試験例5による各金属材料の断面硬さの測定結果を示す図であり、実験例5〜8それぞれの断面硬さ測定値の平均値と、その値の幅を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the cross-sectional hardness of each metal material by Test Example 5, and is a figure which shows the average value of each cross-section hardness measurement value of Experimental Examples 5-8, and the width | variety of the value. 試験例5による実験例5〜8それぞれの断面硬さの測定結果に関する度数分布グラフである。10 is a frequency distribution graph regarding the measurement results of the cross-sectional hardness of each of Experimental Examples 5 to 8 according to Test Example 5. 試験例6による引張試験によって得られた応力−ひずみ曲線である。10 is a stress-strain curve obtained by a tensile test according to Test Example 6. 引張試験によって得られた引張強度と、破断伸びとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the tensile strength obtained by the tension test, and elongation at break. 試験例7によるX線回折パターンを示す図であり、実験例5〜8それぞれにおける引張試験前の試験片のX線回折パターンを示している。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern by Test Example 7, and has shown the X-ray-diffraction pattern of the test piece before the tension test in each of Experimental Examples 5-8. 試験例7によるX線回折パターンを示す図であり、実験例5〜8それぞれにおける引張試験後の試験片のX線回折パターンを示している。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern by Test Example 7, and has shown the X-ray-diffraction pattern of the test piece after the tension test in each of Experimental Examples 5-8. 試験例8による中間粒子の観察結果を示す図であり、(a)は、実験例9で得られた中間粒子の観察結果、(b)は、実験例10で得られた中間粒子の観察結果である。It is a figure which shows the observation result of the intermediate particle by Test Example 8, (a) is the observation result of the intermediate particle obtained in Experimental Example 9, (b) is the observation result of the intermediate particle obtained in Experimental Example 10. It is. 試験例9による中間粒子の断面観察結果を示す図であり、(a)は、実験例9で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(b)は、(a)の表面部分の拡大観察結果、(c)は、実験例10で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(d)は、(c)の表面部分の拡大観察結果である。It is a figure which shows the cross-sectional observation result of the intermediate particle by Test Example 9, (a) is the observation result of the whole cross section of the intermediate particle obtained in Experimental Example 9, (b) is an expansion of the surface part of (a). The observation result, (c) is the observation result of the entire cross section of the intermediate particle obtained in Experimental Example 10, and (d) is the enlarged observation result of the surface portion of (c). 実験例12による温度条件及び圧力条件を示す図である。It is a figure which shows the temperature condition and pressure condition by Experimental example 12. 試験例10による各金属材料における結晶粒界マップを示す図であり、(a)は、実験例12で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、実験例13で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(c)は、実験例14で得られた金属材料の結晶粒界マップである。It is a figure which shows the crystal grain boundary map in each metal material by Test Example 10, (a) is the crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 12, and (b) is obtained in Experimental Example 13. The crystal grain boundary map of the metal material, (c) is the crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 14. (a)は、微細粒組織領域の断面面積率と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフ、(b)は、微細粒組織領域及び粗大粒組織領域を構成する結晶粒の平均結晶粒径と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between the cross-sectional area ratio of a fine grain structure area | region, and the processing time of a mechanical milling process, (b) is the average crystal | crystallization of the crystal grain which comprises a fine grain structure area | region and a coarse grain structure area | region. It is a graph which shows the relationship between a particle size and the processing time of a mechanical milling process. 試験例12による引張試験によって得られた引張強度と、破断伸びとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the tensile strength obtained by the tensile test by Test Example 12, and breaking elongation. 試験例13による中間粒子の観察結果を示す図であり、(a)は、実験例15で得られた中間粒子の観察結果、(b)は、実験例16で得られた中間粒子の観察結果である。It is a figure which shows the observation result of the intermediate particle by Test Example 13, (a) is the observation result of the intermediate particle obtained in Experimental Example 15, (b) is the observation result of the intermediate particle obtained in Experimental Example 16. It is. 試験例14による中間粒子の断面観察結果を示す図であり、(a)は、実験例15で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(b)は、実験例16で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(c)は、(b)の表面部分の拡大観察結果である。It is a figure which shows the cross-sectional observation result of the intermediate particle by Test Example 14, (a) is the observation result of the whole cross section of the intermediate particle obtained in Experimental Example 15, (b) is the intermediate obtained in Experimental Example 16. An observation result of the entire cross section of the particle, (c) is an enlarged observation result of the surface portion of (b). 実験例17による温度条件及び圧力条件を示す図である。It is a figure which shows the temperature condition and pressure condition by Experimental example 17. 試験例15による各金属材料における結晶粒界マップを示す図であり、(a)は、実験例17で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、実験例18で得られた金属材料の結晶粒界マップである。It is a figure which shows the crystal grain boundary map in each metal material by Test Example 15, (a) is the crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 17, and (b) is obtained in Experimental Example 18. It is a crystal grain boundary map of a metal material. 試験例16による引張試験によって得られた引張強度と、破断伸びとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the tensile strength obtained by the tensile test by Test Example 16, and breaking elongation. 試験例17による観察結果を示す図であり、(a)は、実験例6で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、(a)と同じ部分の相分布を示す図である。It is a figure which shows the observation result by Test example 17, (a) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental example 6, (b) is a figure which shows the phase distribution of the same part as (a). is there. 試験例18によるX線回折パターンを示す図であり、上段に実験例19のX線回折パターン、下段に実験例6のX線回折パターンを示している。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern by Experiment 18, and shows the X-ray-diffraction pattern of Experimental Example 19 in the upper stage, and the X-ray-diffraction pattern of Experimental Example 6 in the lower stage. 試験例19による引張試験によって得られた応力−ひずみ曲線である。20 is a stress-strain curve obtained by a tensile test according to Test Example 19.

〔金属材料の構成〕
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る金属材料の金属組織を模式的に示した図である。なお、図1では、金属材料の結晶粒界を誇張して示している。
[Composition of metal material]
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a metal structure of a metal material according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the crystal grain boundaries of the metal material are exaggerated.

この金属材料は、実質的に単一の金属又は合金を原材料として形成されている。前記金属材料に用いられる原材料としては、Co−Cr−Mo合金、オーステナイト系ステンレス鋼、及びマンガン鋼が挙げられる。   This metal material is formed using a substantially single metal or alloy as a raw material. Examples of the raw material used for the metal material include a Co—Cr—Mo alloy, an austenitic stainless steel, and a manganese steel.

図1に示すように、本実施形態の金属材料の金属組織は、微細結晶粒1aによって構成されている微細粒組織領域1と、微細結晶粒1aの平均結晶粒径よりも大きい平均結晶粒径の粗大結晶粒2aによって構成されている複数の粗大粒組織領域2とを含んでいる。   As shown in FIG. 1, the metal structure of the metal material of the present embodiment has a fine grain structure region 1 composed of fine crystal grains 1a and an average crystal grain size larger than the average crystal grain diameter of the fine crystal grains 1a. And a plurality of coarse grain structure regions 2 constituted by the coarse crystal grains 2a.

金属材料の金属組織は、微細粒組織領域1をマトリックスとして、複数の粗大粒組織領域2が微細粒組織領域1内に分散点在している。この複数の粗大粒組織領域2は、3次元的に微細粒組織領域1内に点在している。よって、微細粒組織領域1は、3次元的な網目状組織とされている。
つまり、本実施形態の金属材料は、網目状組織とされた微細粒組織領域1(シェル)と、微細粒組織領域1の網目内部に配置された粗大粒組織領域2(コア)とからなる金属組織(調和組織)によって構成されている。
The metal structure of the metal material has a plurality of coarse grain structure regions 2 dispersed in the fine grain structure region 1 with the fine grain structure region 1 as a matrix. The plurality of coarse grain structure regions 2 are scattered in the fine grain structure region 1 three-dimensionally. Therefore, the fine grain structure region 1 has a three-dimensional network structure.
That is, the metal material of the present embodiment is a metal composed of a fine grain structure region 1 (shell) having a network structure and a coarse grain structure region 2 (core) disposed inside the network of the fine grain structure region 1. It is composed of an organization (harmonious organization).

また、微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒1aは、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒(第1結晶粒1a1及び第2結晶粒1a2)を含んでいる。つまり、微細粒組織領域1は、第1結晶粒1a1及び第2結晶粒1a2を含んだ2相組織とされている。   Further, the fine crystal grains 1a constituting the fine grain structure region 1 include two types of crystal grains (first crystal grains 1a1 and second crystal grains 1a2) having different crystal structures. That is, the fine grain structure region 1 has a two-phase structure including the first crystal grain 1a1 and the second crystal grain 1a2.

このように、本金属材料では、当該金属材料の高強度化に寄与する微細粒組織領域1が網目状組織とされているので、変形の自由度を維持しつつ金属材料全体としての強度を高めることができる。さらに、微細粒組織領域1の網目内部に、金属材料の延性維持に寄与する粗大粒組織領域2が配置されているので、強度については、微細粒組織領域1に負担させ、延性については粗大粒組織領域2に負担させることができる。この結果、強度を高めつつも延性を維持できる金属材料を得ることができる。   As described above, in the present metal material, since the fine grain structure region 1 that contributes to increasing the strength of the metal material is a network structure, the strength of the entire metal material is increased while maintaining the degree of freedom of deformation. be able to. Furthermore, since the coarse grain structure region 2 that contributes to maintaining the ductility of the metal material is disposed inside the mesh of the fine grain structure region 1, the fine grain structure region 1 is borne for strength, and the coarse grain is obtained for ductility. The tissue area 2 can be burdened. As a result, a metal material that can maintain ductility while increasing strength can be obtained.

また、微細粒組織領域1は、第1結晶粒1a1及び第2結晶粒1a2を含んだ2相組織とされているので、異なる結晶粒同士を組み合わせることで、強度及び延性の調整の仕方の自由度を高めることができる。   In addition, since the fine grain structure region 1 has a two-phase structure including the first crystal grain 1a1 and the second crystal grain 1a2, it is possible to freely adjust the strength and ductility by combining different crystal grains. The degree can be increased.

例えば、第1結晶粒1a1及び第2結晶粒1a2のいずれか一方の結晶構造が六方細密構造であることが好ましい。六方細密構造の結晶粒は、他の構造の結晶粒よりも強度的に有利である。このような強度的に有利な六方細密構造の結晶粒を六方細密構造以外の結晶粒に適度に分散させることができ、例えば、六方細密構造の結晶粒のみ、或いは六方細密構造以外の結晶粒のみの単相組織の場合と比較して、延性を損なわない程度に適度に微細粒組織領域の強度を高めることができる。この結果、延性を維持しつつ金属材料の強度をより高めることができる。   For example, it is preferable that the crystal structure of one of the first crystal grain 1a1 and the second crystal grain 1a2 is a hexagonal close-packed structure. The crystal grains of the hexagonal close-packed structure are more advantageous in strength than the crystal grains of other structures. Such strength-advantageous hexagonal close-packed crystal grains can be appropriately dispersed in crystal grains other than the hexagonal close-packed structure, for example, only hexagonal close-packed crystal grains, or crystal grains other than the hexagonal close-packed structure Compared with the case of this single phase structure, the strength of the fine grain structure region can be appropriately increased to such an extent that the ductility is not impaired. As a result, the strength of the metal material can be further increased while maintaining ductility.

また、結晶構造が六方細密構造である結晶粒1aが微細粒組織領域の断面面積率に対して40%未満の割合である場合、微細粒組織領域1が必要な強度を得ることができないおそれがある。
このため、結晶構造が六方細密構造である結晶粒は、微細粒組織領域の断面面積率に対して40%以上の割合で含まれていることが好ましい。このように構成することで、微細粒組織領域に必要な強度を付与することができる。
Moreover, when the crystal grain 1a whose crystal structure is a hexagonal close-packed structure is a ratio of less than 40% with respect to the cross-sectional area ratio of a fine grain structure area | region, there exists a possibility that the fine grain structure area | region 1 cannot obtain required intensity | strength. is there.
For this reason, it is preferable that the crystal grain whose crystal structure is a hexagonal close-packed structure is contained at a ratio of 40% or more with respect to the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region. By comprising in this way, required intensity | strength can be provided to a fine grain structure area | region.

また、微細粒組織領域1の割合は、断面面積率で20%以上、70%以下であることが好ましい。微細粒組織領域1の割合が断面面積率で20%未満である場合、金属材料の強度を十分に高めることができないおそれがある。さらに、微細粒組織領域1の割合は、断面面積率で40%以上であることがより好ましく、この場合、強度を十分に高めることができる。
よって、結晶構造が六方細密構造である結晶粒は、断面面積率で少なくとも8%以上含まれていればよく、より好ましくは、16%以上含まれていればよい。
また、微細粒組織領域1の割合が断面面積率で70%より大きいと、強度を高めることはできるが必要な延性を確保できないおそれがある。
Moreover, it is preferable that the ratio of the fine grain structure area | region 1 is 20% or more and 70% or less in a cross-sectional area ratio. When the ratio of the fine grain structure region 1 is less than 20% in terms of the cross-sectional area ratio, the strength of the metal material may not be sufficiently increased. Furthermore, the ratio of the fine grain structure region 1 is more preferably 40% or more in terms of the cross-sectional area ratio. In this case, the strength can be sufficiently increased.
Therefore, the crystal grains having a hexagonal close-packed structure may be included at least 8% or more in terms of the cross-sectional area ratio, and more preferably 16% or more.
Further, if the ratio of the fine grain structure region 1 is larger than 70% in terms of the cross-sectional area ratio, the strength can be increased, but the required ductility may not be ensured.

また、微細結晶粒1aの平均結晶粒径は、5μm以下であることが好ましい。微細結晶粒1aの平均結晶粒径が5μmより大きくなると、微細粒組織領域1が必要な強度を得ることができないおそれがあるからである。   The average crystal grain size of the fine crystal grains 1a is preferably 5 μm or less. This is because if the average crystal grain size of the fine crystal grains 1a is larger than 5 μm, the fine grain structure region 1 may not be able to obtain the required strength.

なお、本明細書において「平均結晶粒径」とは、金属材料の走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)による断面組織又は結晶粒界マップの画像データを画像解析ソフトを用いて処理し、対象となる結晶粒の面積を求め、求められた面積と同じ面積となる円の直径を粒径とし、所定サンプル数の粒径を求めて平均化した値をいう。   In the present specification, “average crystal grain size” means processing image data of a cross-sectional structure or grain boundary map of a metal material by a scanning electron microscope (SEM) using image analysis software, It refers to a value obtained by calculating the area of the target crystal grains, averaging the diameter of a circle having the same area as the determined area as the particle diameter, and calculating the particle diameter of a predetermined number of samples.

また、「断面面積率」とは、金属材料の断面中に占める対象組織領域の割合のことであり、例えば、微細粒組織領域1の断面面積率とは、金属材料の任意の断面について観察を行ったときの1視野において、微細粒組織領域1の面積を測定し、観察視野の面積に対する割合(%)を算出することによって得ることができる。   The “cross-sectional area ratio” is the ratio of the target tissue region in the cross section of the metal material. For example, the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region 1 is an observation of an arbitrary cross section of the metal material. It can be obtained by measuring the area of the fine grain structure region 1 in one visual field when it is performed and calculating the ratio (%) to the area of the observation visual field.

なお、上記「平均結晶粒径」及び「断面面積率」は、解析ソフト(オックスフォード・インストゥルメンツ株式会社製、商品名:EBSD分析ソフトウェアAZtecHKL)を用いて求めた。   The “average crystal grain size” and “cross-sectional area ratio” were determined using analysis software (trade name: EBSD analysis software AZtecHKL, manufactured by Oxford Instruments Co., Ltd.).

上記金属材料は、上述した単一の金属又は合金からなる粉末粒子を焼結することによって形成することができる。この場合、粉末粒子の結晶組織を調整することで、金属材料の結晶組織の制御を容易に行うことができる。
以下、金属材料の製造方法について説明する。
The metal material can be formed by sintering powder particles made of the single metal or alloy described above. In this case, the crystal structure of the metal material can be easily controlled by adjusting the crystal structure of the powder particles.
Hereinafter, the manufacturing method of a metal material is demonstrated.

〔金属材料の製造方法〕
図2は、本実施形態に係る金属材料の製造方法を示す図である。また、図3は、金属材料を製造する際の各工程によって変化する粉末粒子3の結晶粒の態様を模式的に示した断面図である。
[Production method of metal material]
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing a metal material according to the present embodiment. Moreover, FIG. 3 is sectional drawing which showed typically the aspect of the crystal grain of the powder particle 3 which changes with each process at the time of manufacturing a metal material.

上記金属材料を製造するには、図2に示すように、まず、上述の原材料(単一の金属又は合金)からなる粉末粒子3と、ボール4とをそれぞれ所定量に調製し、ボールミル装置5の容器5aに投入し、粉末粒子3に対して、強加工処理としてのメカニカルミリング処理(Mechanical Milling:以下、MM処理ともいう)を行い、中間粒子6(図3(b)参照)を得る(メカニカルミリング処理工程)。
メカニカルミリング処理とは、金属製ボール等と共に被処理粉末を投入した容器を連続的に回転させることにより当該被処理粉末に対して繰り返し衝撃を加えることで強加工を行うことができる処理である。
このメカニカルミリング処理によれば、被処理粉末の表面全体に対して均一に強加工を行うことができる。
In order to manufacture the metal material, as shown in FIG. 2, first, powder particles 3 made of the above-mentioned raw material (single metal or alloy) and balls 4 are respectively prepared in predetermined amounts, and a ball mill device 5 is prepared. The powder particles 3 are subjected to mechanical milling (Mechanical Milling: hereinafter also referred to as MM treatment) as a strong processing to obtain intermediate particles 6 (see FIG. 3B) (see FIG. 3B). Mechanical milling process).
The mechanical milling process is a process capable of performing strong processing by continuously applying a shock to the powder to be treated by continuously rotating a container in which the powder to be treated is charged together with a metal ball or the like.
According to this mechanical milling process, the entire surface of the powder to be processed can be uniformly strongly processed.

メカニカルミリング処理前の粉末粒子3は、図3(a)に示すように、比較的粗大な結晶粒7で構成されている。
本実施形態では、粉末粒子3に対してメカニカルミリング処理による強加工を行う。これによって、図3(b)に示すように、粉末粒子3の表面に微細な結晶粒である表面部微細結晶粒8aからなる表面部微細粒組織領域8を形成することができる。
このメカニカルミリング処理によって形成される表面部微細粒組織領域8は、粉末粒子3の表面全体に対して均一に形成される。
The powder particles 3 before the mechanical milling treatment are composed of relatively coarse crystal grains 7 as shown in FIG.
In the present embodiment, the powder particles 3 are strongly processed by mechanical milling. As a result, as shown in FIG. 3 (b), the surface portion fine grain structure region 8 composed of the surface portion fine crystal grains 8 a which are fine crystal grains can be formed on the surface of the powder particle 3.
The surface portion fine grain structure region 8 formed by the mechanical milling process is uniformly formed on the entire surface of the powder particle 3.

メカニカルミリング処理は、粉末粒子3の中心部に存在する結晶粒7に影響を与えることなく、表面近傍の結晶粒7のみを微細化する。
よって、メカニカルミリング処理によって得られる中間粒子6は、表面に表面部微細粒組織領域8を有しかつ中心部に表面部微細結晶粒8aよりも粗大な結晶粒7であった粗大結晶粒2aによって構成されている粗大粒組織領域2を有している。
The mechanical milling process refines only the crystal grains 7 in the vicinity of the surface without affecting the crystal grains 7 present at the center of the powder particles 3.
Therefore, the intermediate particles 6 obtained by the mechanical milling process have the coarse crystal grains 2a having the surface fine grain structure region 8 on the surface and coarser crystal grains 7 than the surface fine crystal grains 8a in the center. It has a coarse grain structure region 2 configured.

メカニカルミリング処理が行われる粉末粒子3は、回転電極法や、アトマイズ法によって製造された粉末であり、その平均粒子径は、原材料の種類や製法等によって異なるが、後述するように、金属材料とされた後の粗大粒組織領域2の断面面積率に影響を与えるため、適切に設定する必要がある。
粉末粒子3の平均粒子径が比較的小さいと、メカニカルミリング処理によって表面部微細粒組織領域8を形成したときに、当該粉末粒子3の中心部に生じる粗大粒組織領域2の面積が、表面部微細粒組織領域8に対して著しく小さくなるおそれがある。このため、粉末粒子3の平均粒子径は、好ましくは100μm以上、さらに好ましくは200μm以上に設定される。また、粉末粒子3の平均粒子径が比較的大きいと、メカニカルミリング処理によって表面部微細粒組織領域8を形成したときに、当該粉末粒子3の中心部に生じる粗大粒組織領域2の面積が、表面部微細粒組織領域8に対して著しく大きくなるおそれがある。このため、粉末粒子3の平均粒子径は、好ましくは400μm以下、さらに好ましくは300μm以下に設定される。
The powder particles 3 to be mechanically milled are powders produced by a rotating electrode method or an atomizing method, and the average particle size varies depending on the type of raw material, the production method, etc. In order to affect the cross-sectional area ratio of the coarse grain structure region 2 after being processed, it is necessary to set appropriately.
When the average particle diameter of the powder particles 3 is relatively small, the area of the coarse grain structure region 2 generated in the center of the powder particle 3 when the surface part fine grain structure region 8 is formed by mechanical milling processing is the surface portion. There is a concern that the fine grain structure region 8 may be significantly reduced. For this reason, the average particle diameter of the powder particles 3 is preferably set to 100 μm or more, more preferably 200 μm or more. Moreover, when the average particle diameter of the powder particles 3 is relatively large, when the surface fine grain structure region 8 is formed by mechanical milling, the area of the coarse grain structure region 2 generated in the center of the powder particle 3 is There is a concern that the surface portion fine grain structure region 8 may become significantly large. For this reason, the average particle diameter of the powder particles 3 is preferably set to 400 μm or less, more preferably 300 μm or less.

粉末粒子3の平均結晶粒径は、メカニカルミリング処理によって得られる表面部微細結晶粒8aの結晶粒径や、粗大粒組織領域2の粗大結晶粒2aに影響を与えるため、適切に設定する必要がある。例えば、メカニカルミリング処理によって得られる表面部微細結晶粒8aの平均結晶粒径が5μm以下であるとすると、粉末粒子3の平均結晶粒径は、5μmよりも大きく設定する必要がある。中間粒子6の表面部微細粒組織領域8及び粗大粒組織領域2は、後述するように、焼結することによって金属材料に含まれる微細粒組織領域1及び粗大粒組織領域2を構成することとなる。よって、粗大粒組織領域2は、金属材料としたときの延性に影響を与える。よって、粉末粒子3の平均結晶粒径は、金属材料の延性を確保する観点から、好ましくは10μm以上、さらに好ましくは30μm以上に設定される。   The average crystal grain size of the powder particles 3 affects the crystal grain size of the surface portion fine crystal grains 8a obtained by the mechanical milling process and the coarse crystal grains 2a of the coarse grain structure region 2, and therefore needs to be set appropriately. is there. For example, when the average crystal grain size of the surface fine crystal grains 8a obtained by the mechanical milling process is 5 μm or less, the average crystal grain size of the powder particles 3 needs to be set larger than 5 μm. As described later, the surface portion fine grain structure region 8 and the coarse grain structure region 2 of the intermediate particle 6 constitute a fine grain structure region 1 and a coarse grain structure region 2 included in the metal material by sintering. Become. Therefore, the coarse grain structure region 2 affects the ductility when a metal material is used. Therefore, the average crystal grain size of the powder particles 3 is preferably set to 10 μm or more, more preferably 30 μm or more, from the viewpoint of ensuring the ductility of the metal material.

また、原材料として、Co−Cr−Mo合金や、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合、例えば、回転電極法やアトマイズ法等で製造された合金粉末であれば、急冷凝固されているため、実質的に準安定相の単相となっている場合がある。つまり、メカニカルミリング処理前の粉末粒子3の結晶粒7は、準安定相を多く含んでいることがある。
さらに、Co−Cr−Mo合金や、オーステナイト系ステンレス鋼は、準安定相の状態から加工を加えられると、加工が加えられた部分が加工誘起マルテンサイトに変態し加工硬化が生じる。
このため、メカニカルミリング処理開始前における粉末粒子3の結晶粒組織が準安定相の部分を含んでいる場合、粉末粒子3の表面に存在する準安定相の部分をメカニカルミリング処理によって安定相であるマルテンサイトに変態させることで、中間粒子6の表面に実質的に安定相の単相とされた表面部微細粒組織領域8を形成することができる。
In addition, when a Co—Cr—Mo alloy or an austenitic stainless steel is used as a raw material, for example, an alloy powder manufactured by a rotating electrode method, an atomizing method, or the like is rapidly solidified, so that it is substantially May be a metastable single phase. That is, the crystal grains 7 of the powder particles 3 before the mechanical milling process may contain a lot of metastable phases.
Furthermore, when a Co—Cr—Mo alloy or austenitic stainless steel is processed from a metastable phase, the processed portion is transformed into a work-induced martensite and work hardening occurs.
For this reason, when the crystal grain structure of the powder particle 3 before the start of the mechanical milling process includes a metastable phase part, the metastable phase part existing on the surface of the powder particle 3 is a stable phase by the mechanical milling process. By transforming into martensite, the surface portion fine grain structure region 8 which is substantially a single phase of a stable phase can be formed on the surface of the intermediate particle 6.

図2に戻って、粉末粒子3と共に容器5aに投入されるボール4は、粉末粒子3の表面に対して強加工を施すことができ、かつボール4に由来する不純物の混入を抑制することができる材料からなるボールであることが望ましい。例えば、粉末粒子3と同じ材料や、超硬合金、軸受鋼、クロム鋼、セラミックス等からなるボールが挙げられるが、これら例示のみに限定されるものではない。   Returning to FIG. 2, the balls 4 put into the container 5 a together with the powder particles 3 can be subjected to strong processing on the surface of the powder particles 3, and can suppress the mixing of impurities derived from the balls 4. A ball made of a material that can be used is desirable. For example, a ball made of the same material as the powder particles 3, cemented carbide, bearing steel, chrome steel, ceramics, or the like can be given, but the invention is not limited to these examples.

ボール4の平均粒子径は、原材料の種類によって異なるので一概には決定することができない。従って、このボール4の平均粒子径は、加工対象の材料の種類等に応じて決定することが望ましい。通常、ボール4の平均粒子径は、粉末粒子3に対してメカニカルミリング処理を均一に実施する観点から、好ましくは3.0mm以上、より好ましくは5.0mm以上であり、メカニカルミリング処理の際の操作の容易性を確保する観点から、好ましくは10mm以下、より好ましくは7.0mm以下である。   Since the average particle size of the balls 4 varies depending on the type of raw material, it cannot be determined unconditionally. Therefore, it is desirable to determine the average particle diameter of the balls 4 according to the type of material to be processed. Usually, the average particle diameter of the balls 4 is preferably 3.0 mm or more, more preferably 5.0 mm or more, from the viewpoint of uniformly performing mechanical milling on the powder particles 3. From the viewpoint of ensuring ease of operation, it is preferably 10 mm or less, more preferably 7.0 mm or less.

容器5aは、当該容器5aに由来する不純物の混入を抑制することができる材料からなるものであることが望ましい。このような材料としては、上述のボール4の材料と同様の材料が例示される。   The container 5a is preferably made of a material that can suppress the contamination of impurities derived from the container 5a. As such a material, the material similar to the material of the above-mentioned ball 4 is illustrated.

容器5aに投入される粉末粒子3とボール4との質量比率は、原材料の種類や、ボール4の種類、大きさによって異なるので一概には決定することができない。よって、この比率は、原材料の種類や、ボール4の種類、大きさによって適宜決定することが望ましい。通常、前記質量比率は、粉末粒子3に対してメカニカルミリング処理を均一に実施する観点から、粉末粒子/ボール=1/10〜1/2である。   The mass ratio between the powder particles 3 and the balls 4 put into the container 5a varies depending on the type of raw material, the type and size of the balls 4, and therefore cannot be determined unconditionally. Therefore, it is desirable that this ratio is appropriately determined according to the type of raw material, the type and size of the ball 4. Usually, the mass ratio is powder particles / ball = 1/10 to 1/2 from the viewpoint of uniformly performing mechanical milling on the powder particles 3.

メカニカルミリング処理は、ボールミル装置5の容器5aに、粉末粒子3及びボール4を投入し、その後、容器5aを密封した上でボールミル装置5を回転させることで行われる。
メカニカルミリング処理は、図2に示すように、遊星型のボールミル装置5を用いてもよいし、その他の市販されているメカニカルアロイング装置等を用いることもできる。
メカニカルミリング処理の処理時間や処理温度、処理雰囲気等は、粉末粒子3に強加工を施すのに十分な条件であればよい。例えば、処理時間は、中間粒子6の表面部微細粒組織領域8の断面面積率に影響を与える。
The mechanical milling process is performed by putting the powder particles 3 and the balls 4 into the container 5a of the ball mill apparatus 5, and then rotating the ball mill apparatus 5 after sealing the container 5a.
As shown in FIG. 2, the mechanical milling process may use a planetary ball mill device 5 or other commercially available mechanical alloying device.
The processing time, processing temperature, processing atmosphere, and the like of the mechanical milling process may be sufficient as long as the powder particles 3 are strongly processed. For example, the treatment time affects the cross-sectional area ratio of the surface fine grain structure region 8 of the intermediate particle 6.

中間粒子6の表面部微細粒組織領域8及び粗大粒組織領域2は、後述するように、焼結することによって金属材料に含まれる微細粒組織領域1及び粗大粒組織領域2を構成することとなる。金属材料の微細粒組織領域1の断面面積率は、20%以上、70%以下であることが好ましく、これを実現することが可能な表面部微細粒組織領域8を形成するために、メカニカルミリング処理の処理時間としては、好ましくは10時間以上、より好ましくは15時間以上に設定される。   As described later, the surface portion fine grain structure region 8 and the coarse grain structure region 2 of the intermediate particle 6 constitute a fine grain structure region 1 and a coarse grain structure region 2 included in the metal material by sintering. Become. The cross-sectional area ratio of the fine grain structure region 1 of the metal material is preferably 20% or more and 70% or less. In order to form the surface portion fine grain structure region 8 capable of realizing this, mechanical milling is performed. The treatment time for the treatment is preferably set to 10 hours or longer, more preferably 15 hours or longer.

メカニカルミリング処理の処理温度は、特に限定されるものではなく、例えば、室温(例えば、20〜30度)であってもよく、室温より高い温度であってもよい。粉末粒子3の表面は、強加工によって活性な状態となる。よって、粉末粒子3の表面が酸化するのを抑制する観点から、処理雰囲気は、不活性ガス(例えば、アルゴンガス等)雰囲気で行うことが好ましい。   The processing temperature of the mechanical milling process is not particularly limited, and may be, for example, room temperature (for example, 20 to 30 degrees) or higher than room temperature. The surface of the powder particle 3 becomes active by strong processing. Therefore, from the viewpoint of suppressing the surface of the powder particles 3 from being oxidized, the treatment atmosphere is preferably performed in an inert gas (eg, argon gas) atmosphere.

上述のように、粉末粒子3に対してメカニカルミリング処理を行うことで中間粒子6を得ると、次に、この中間粒子6を焼結する(焼結工程)。   As described above, when the intermediate particles 6 are obtained by performing mechanical milling on the powder particles 3, the intermediate particles 6 are then sintered (sintering step).

図3(c)に示すように、中間粒子6(図3(b))を焼結することで、各中間粒子6表面の表面部微細粒組織領域8同士を互いに結合させ金属材料を形成する。このとき、金属材料の金属組織においては、各中間粒子6の表面部微細粒組織領域8が互いに結合することで、網目状組織とされた微細粒組織領域1が形成される。
また、各中間粒子に含まれている粗大粒組織領域2は、表面部微細粒組織領域8が網目状組織の微細粒組織領域1となることで、当該微細粒組織領域1の網目内部に配置され、微細粒組織領域1内に分散点在される。
As shown in FIG. 3 (c), by sintering the intermediate particles 6 (FIG. 3 (b)), the surface fine particle structure regions 8 on the surface of each intermediate particle 6 are bonded together to form a metal material. . At this time, in the metal structure of the metal material, the fine grain structure region 1 having a network structure is formed by bonding the surface fine grain structure regions 8 of the intermediate particles 6 to each other.
In addition, the coarse grain structure region 2 included in each intermediate particle is arranged inside the mesh of the fine grain structure region 1 because the surface fine grain structure region 8 becomes the fine grain structure region 1 of the network structure. And dispersed in the fine grain structure region 1.

つまり、中間粒子6の表面部微細粒組織領域8は、焼結後の金属材料の微細粒組織領域1として形成され、中間粒子6の粗大粒組織領域2は、微細粒組織領域1の網目内部に配置されて焼結後の金属材料の金属組織に含まれることとなる。   That is, the surface fine-grain structure region 8 of the intermediate particles 6 is formed as the fine-grain structure region 1 of the sintered metal material, and the coarse-grain structure region 2 of the intermediate particles 6 is the inside of the mesh of the fine-grain structure region 1. Is included in the metal structure of the sintered metal material.

以上のようにして、中間粒子6を焼結することによって、各中間粒子6の表面部微細粒組織領域同士を互いに結合させ、金属組織が、表面部微細粒組織領域8同士が互いに結合することで網目状組織とされた微細粒組織領域1と、中間粒子6に含まれていた複数の粗大粒組織領域2と、を含み、複数の粗大粒組織領域2が微細粒組織領域1の網目内部に配置されている金属材料が形成される。   By sintering the intermediate particles 6 as described above, the surface fine grain structure regions of the intermediate particles 6 are bonded to each other, and the metal structure is bonded to the surface fine particle structure regions 8 to each other. And a plurality of coarse grain structure regions 2 included in the intermediate particles 6, and the plurality of coarse grain structure regions 2 are inside the mesh of the fine grain structure region 1. The metal material arrange | positioned in is formed.

焼結工程は、図2に示す放電プラズマ焼結装置20などを用いて行うことができる。この放電プラズマ焼結装置20は、真空水冷チャンバ21と、ダイ22と、ダイ22に挿入される上側及び下側パンチ23,24と、電源25とを備えている。放電プラズマ焼結装置20は、電源25からの直流パルス電流を両パンチ23,24に与えることで加熱するとともに、ダイ22の内部に充填される粉体等を、雰囲気調整された真空水冷チャンバ21内で両パンチ23,24によって加圧し焼結を行うように構成されている。   The sintering step can be performed using a discharge plasma sintering apparatus 20 shown in FIG. The discharge plasma sintering apparatus 20 includes a vacuum water cooling chamber 21, a die 22, upper and lower punches 23 and 24 inserted into the die 22, and a power source 25. The discharge plasma sintering apparatus 20 heats the punches 23 and 24 by applying a direct-current pulse current from a power supply 25, and at the same time, vacuum-cooled chamber 21 in which the powder filled in the die 22 is conditioned. It is comprised so that it may press and sinter with both punches 23 and 24 inside.

中間粒子6は、そのまま又は所定の形状に圧粉されてダイ22の内部に充填される。ダイ22の内部に充填された中間粒子6は、上側及び下側パンチ23,24によって加圧され、さらに、両パンチ23,24に与えられる直流パルス電流によって加熱され焼結される。   The intermediate particles 6 are filled into the die 22 as it is or pressed into a predetermined shape. The intermediate particles 6 filled in the die 22 are pressurized by the upper and lower punches 23 and 24, and further heated and sintered by a direct current pulse current applied to both the punches 23 and 24.

図4は、焼結工程における焼結条件の一例を示す図である。焼結工程においては、加熱することによって昇温を開始するとともに両パンチ23,24を介して加圧を開始し、所定の保持温度Tに達するときに所定の保持圧力Pとなるように昇温速度や昇圧速度を設定する。
その後、所定の保持時間Hの間、保持温度T及び保持圧力Pを保持する。保持時間Hの経過後、所定の降温速度及び降圧速度によって降温及び降圧する。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of sintering conditions in the sintering process. In the sintering step, heating is started by heating and pressurization is started via both punches 23 and 24, and the temperature is raised so that a predetermined holding pressure P is reached when a predetermined holding temperature T is reached. Set the speed and boost speed.
Thereafter, the holding temperature T and the holding pressure P are held for a predetermined holding time H. After the holding time H elapses, the temperature is lowered and lowered at a predetermined temperature lowering rate and step-down rate.

昇温速度、及び保持温度Tは、後述するように、昇温前の微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒1aの固相とは異なる他の固相の結晶粒を、金属材料の金属組織に析出させることを考慮して決定される。他の固相の結晶粒を析出させる観点から、昇温速度は、0.8〜1.7K/sに設定することが好ましい。   As will be described later, the rate of temperature rise and the holding temperature T are different from the solid phase of the fine crystal grains 1a constituting the fine grain structure region 1 before the temperature rise. It is determined in consideration of precipitation in the metal structure. From the viewpoint of precipitating other solid-phase crystal grains, the rate of temperature rise is preferably set to 0.8 to 1.7 K / s.

また、他の固相の結晶粒を析出させるためには、例えば、昇温時に原材料が固相変態を開始する温度を通過させることが考えられる。この場合、保持温度Tは、原材料が固相変態を開始する温度以上に設定する必要がある。   In order to precipitate other solid phase crystal grains, for example, it is conceivable to pass a temperature at which the raw material starts solid phase transformation when the temperature is raised. In this case, the holding temperature T needs to be set to be equal to or higher than the temperature at which the raw material starts solid phase transformation.

例えば、Co−28Cr−6Mo合金(例えば、ASTM−F75等)の場合、約1200Kで、常温で安定相であるHCP相(結晶構造が六方細密構造である相、ε相ともいう)から、常温で準安定相であるFCC相(結晶構造が面心立方構造である相、α相ともいう)に固相変態を開始する。
また、Ti−6Al−4V合金(例えば、JIS60種等)の場合も、約1200Kで、常温で安定相であるHCP相(α相ともいう)から、常温で準安定相であるBCC相(結晶構造が体心立方構造である相、β相ともいう)に固相変態を開始する。
さらに18Cr−8Niステンレス鋼(例えば、JIS SUS304等)では、各成分をオーステナイト相に固溶させるための処理である固溶化熱処理の処理温度として、一般に約1173〜1473Kで保持される。
For example, in the case of a Co-28Cr-6Mo alloy (for example, ASTM-F75), the HCP phase that is a stable phase at room temperature at about 1200 K (phase that is a hexagonal close-packed crystal structure, also referred to as ε phase) Then, solid phase transformation is started in the FCC phase which is a metastable phase (phase whose crystal structure is a face-centered cubic structure, also called α phase).
Also, in the case of Ti-6Al-4V alloy (for example, JIS 60 type), the HCC phase (also referred to as α phase) which is a stable phase at room temperature is about 1200 K, and the BCC phase (crystal) which is a metastable phase at room temperature. A solid phase transformation is initiated in a phase whose structure is a body-centered cubic structure (also called a β phase).
Furthermore, in 18Cr-8Ni stainless steel (for example, JIS SUS304 etc.), the treatment temperature of the solution heat treatment, which is a treatment for dissolving each component in the austenite phase, is generally maintained at about 1173 to 1473K.

さらに、保持温度Tは、中間粒子6が十分に焼結可能な温度以上である点や、金属材料の結晶粒が粗大化しない程度の温度に抑制する必要があることも考慮する必要がある。上記観点を踏まえると、保持温度Tは、1173〜1473Kの範囲で、原材料として用いる合金に応じて適切に設定される。   Furthermore, it is necessary to consider that the holding temperature T is higher than the temperature at which the intermediate particles 6 can be sufficiently sintered, and that the holding temperature T needs to be suppressed to a temperature at which the crystal grains of the metal material are not coarsened. Considering the above viewpoint, the holding temperature T is appropriately set in the range of 1173 to 1473K according to the alloy used as the raw material.

また、保持圧力Pは、得られる金属材料の密度や、焼結に使用するダイ22やパンチ23,24等の許容圧力の観点から、30〜200MPaに設定することが好ましい。
保持時間Hは、金属材料の結晶粒の粗大化を抑制する観点から、1.8〜5.4Ksに設定することが好ましい。
The holding pressure P is preferably set to 30 to 200 MPa from the viewpoint of the density of the metal material to be obtained and the allowable pressure of the die 22 and the punches 23 and 24 used for sintering.
The holding time H is preferably set to 1.8 to 5.4 Ks from the viewpoint of suppressing the coarsening of the crystal grains of the metal material.

降圧速度は、降温速度に応じて適宜設定されるが、通常、1〜2MPa/sに設定することが好ましい。   The step-down rate is appropriately set according to the temperature-decreasing rate, but is usually preferably set to 1 to 2 MPa / s.

降温速度は、後述する微細粒組織領域1の組織を制御する観点から、適宜設定される。比較的速い速度で降温すれば、安定相に比べて準安定相の割合が多い金属材料が得られる。従って、十分に速い速度で降温することで、実質的に準安定相で単相とされた金属材料を得ることができる。また、降温速度を低下させればさせるほど、安定相の割合が増加する。上記準安定相の割合を調整する際に行われる降温速度の調整は、原材料の種類等によって異なるが、例えば0.5〜6K/sに設定することができる。   The temperature lowering rate is appropriately set from the viewpoint of controlling the structure of the fine grain structure region 1 described later. If the temperature is lowered at a relatively high speed, a metal material having a higher proportion of metastable phase than stable phase can be obtained. Therefore, by lowering the temperature at a sufficiently high speed, a metal material that is substantially metastable and single phase can be obtained. In addition, the lower the rate of temperature decrease, the greater the proportion of stable phase. The temperature drop rate adjustment performed when adjusting the ratio of the metastable phase varies depending on the type of raw material, but can be set to 0.5 to 6 K / s, for example.

また、中間粒子6が加圧、焼結される真空水冷チャンバ21内の雰囲気は、真空雰囲気下(例えば、15Pa以下)に調整される。これによって、中間粒子6が焼結された後の金属材料内部に顕著な気孔等が生じるのを抑制することができる。   Further, the atmosphere in the vacuum water cooling chamber 21 in which the intermediate particles 6 are pressurized and sintered is adjusted to a vacuum atmosphere (for example, 15 Pa or less). Thereby, it is possible to suppress the formation of significant pores or the like in the metal material after the intermediate particles 6 are sintered.

図5は、焼結工程における金属材料の微細粒組織領域1の結晶粒の変化を示した図である。この図5では、粉末粒子3の原材料として、Ti−6Al−4V合金を用いた場合について説明する。   FIG. 5 is a diagram showing changes in crystal grains in the fine grain structure region 1 of the metal material in the sintering process. This FIG. 5 demonstrates the case where a Ti-6Al-4V alloy is used as a raw material of the powder particle 3. FIG.

Ti−6Al−4V合金では、上述のように、約1200Kで、常温で安定相であるHCP相から、常温で準安定相であるBCC相に固相変態を開始する。
図5(a)は、焼結工程における温度条件と、変態を開始する温度との関係を示した図である。図に示すように、Ti−6Al−4V合金を用いた場合、保持温度Tが、BCC相の領域に設定されており、HCP相からBCC相に固相変態を開始する変態開始温度を通過するように温度条件が設定されている。よって、焼結工程における温度は、HCP単相領域から、HCP相とBCC相の2相領域、BCC単相領域に亘って昇温され、保持温度Tに到達した後、保持時間Hで保持され、その後、所定の降温速度によって冷却降温される。
In the Ti-6Al-4V alloy, as described above, at about 1200 K, the solid phase transformation starts from the HCP phase that is a stable phase at room temperature to the BCC phase that is a metastable phase at room temperature.
FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the temperature condition in the sintering process and the temperature at which transformation starts. As shown in the figure, when a Ti-6Al-4V alloy is used, the holding temperature T is set in the region of the BCC phase and passes through the transformation start temperature for starting the solid phase transformation from the HCP phase to the BCC phase. The temperature conditions are set as follows. Therefore, the temperature in the sintering process is raised from the HCP single-phase region to the two-phase region of the HCP phase and the BCC phase and the BCC single-phase region, and after reaching the holding temperature T, the temperature is held for the holding time H. Thereafter, the temperature is lowered by cooling at a predetermined temperature lowering rate.

図5(b)は、各相の温度領域における微細粒組織領域1の結晶粒の変化を示す図である。
図に示すように、Ti−6Al−4V合金におけるメカニカルミリング処理前(MM前)における粉末粒子表面付近の結晶粒は、比較的粗大な結晶粒で構成されている。このとき、Ti−6Al−4V合金は、ほぼHCP相の単相とされている。
粉末粒子表面付近の結晶粒は、その後メカニカルミリング処理によって微細化され、表面部微細粒組織領域8とされる。
FIG. 5B is a diagram showing changes in crystal grains of the fine grain structure region 1 in the temperature region of each phase.
As shown in the figure, the crystal grains near the surface of the powder particles before mechanical milling (before MM) in the Ti-6Al-4V alloy are composed of relatively coarse crystal grains. At this time, the Ti-6Al-4V alloy is substantially a single phase of the HCP phase.
The crystal grains near the surface of the powder particles are then refined by a mechanical milling process to form a surface portion fine grain structure region 8.

メカニカルミリング処理後(MM後)、及び変態開始温度以下であるHCP単相領域では、微細粒組織領域1(表面部微細粒組織領域8)は、メカニカルミリング処理によって微細化された微細結晶粒で構成されている。Ti−6Al−4V合金では、結晶粒はメカニカルミリング処理によって微細化された後もHCP相を維持する。よって、この場合の微細粒組織領域1は、HCP相の結晶粒で構成されている。   In the HCP single phase region after the mechanical milling process (after MM) and below the transformation start temperature, the fine grain structure region 1 (surface portion fine grain structure region 8) is a fine crystal grain refined by the mechanical milling process. It is configured. In the Ti-6Al-4V alloy, the crystal grains maintain the HCP phase even after being refined by mechanical milling. Therefore, the fine grain structure region 1 in this case is composed of crystal grains of the HCP phase.

メカニカルミリング処理後、常温から昇温されてHCP単相領域を通過するとともに、変態開始温度を通過して2相領域に到達すると、微細粒組織領域1には、BCC相の結晶粒の析出が生じる。つまり、2相領域における微細粒組織領域1は、HCP相の微細な結晶粒と、析出した微細なBCC相の結晶粒との2相組織となる。これによって、微細粒組織領域1全体として結晶粒がより微細される。
なおこのとき、粗大粒組織領域2においても、BCC相の結晶粒が析出するが、元々粗大粒組織領域2を構成しているHCP相の結晶粒が粗大であるため、大きく影響を受けない。
After the mechanical milling process, when the temperature is raised from room temperature and passes through the HCP single phase region, and passes through the transformation start temperature and reaches the two phase region, precipitation of BCC phase crystal grains occurs in the fine grain structure region 1. Arise. That is, the fine grain structure region 1 in the two-phase region has a two-phase structure of fine crystal grains of the HCP phase and precipitated fine crystal grains of the BCC phase. As a result, the crystal grains are further refined as the entire fine grain structure region 1.
At this time, the BCC phase crystal grains are also precipitated in the coarse grain structure region 2, but the HCP phase crystal grains originally constituting the coarse grain structure region 2 are coarse so that they are not greatly affected.

さらに昇温され、2相領域を通過しBCC単相領域に到達し保持温度Tで保持されると、微細粒組織領域1は、BCC相の結晶粒で構成される単相組織となる。このとき、BCC単相領域内に属する保持温度Tで保持されることで、微細粒組織領域1の各結晶粒は粗大化するおそれがある。
この点、上述のように、変態開始温度を通過させることで新たに析出させた結晶粒によって微細粒組織領域1全体として結晶粒がより微細化されたことに加え、保持温度TをBCC単相領域内において極力低温に維持することによって、微細粒組織領域1の各結晶粒の粗大化が抑制される。
このとき、粗大粒組織領域2においても、BCC相の結晶粒で構成される単相組織となるが、そのまま保持されることで、粗大な結晶粒が維持される。
When the temperature is further increased, the phase passes through the two-phase region, reaches the BCC single-phase region, and is held at the holding temperature T, the fine grain structure region 1 becomes a single-phase structure composed of BCC phase crystal grains. At this time, each crystal grain in the fine grain structure region 1 may be coarsened by being held at the holding temperature T belonging to the BCC single phase region.
In this respect, as described above, in addition to the fact that the crystal grains are further refined as a whole by the crystal grains newly precipitated by passing the transformation start temperature, the holding temperature T is set to the BCC single phase. By maintaining the temperature as low as possible in the region, the coarsening of each crystal grain in the fine grain structure region 1 is suppressed.
At this time, the coarse grain structure region 2 also has a single-phase structure composed of BCC phase crystal grains, but the coarse crystal grains are maintained by being maintained as it is.

その後、冷却降温され、再度HCP単相領域に到達すると、微細粒組織領域1は、微細な結晶粒で構成された状態を維持した組織となる。このとき、微細粒組織領域1は、ほぼHCP相の微細結晶粒で構成されるが、降温の条件によっては、一部BCC相の結晶粒を残留させることもできる。この場合、微細粒組織領域1は、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒を含んだ2相組織となる。
また、粗大粒組織領域2については、HCP相の粗大結晶粒で構成された組織となる。
After that, when the temperature is lowered and the HCP single phase region is reached again, the fine grain structure region 1 becomes a structure that maintains a state composed of fine crystal grains. At this time, the fine grain structure region 1 is substantially composed of fine crystal grains of the HCP phase, but some of the crystal grains of the BCC phase can remain depending on the temperature lowering condition. In this case, the fine grain structure region 1 has a two-phase structure including two types of crystal grains having different crystal structures.
Further, the coarse grain structure region 2 has a structure composed of coarse crystal grains of the HCP phase.

上記のように焼結することによって得られた金属材料としてのTi−6Al−4V合金では、網目状組織とされた微細粒組織領域1と、微細粒組織領域1の網目内部に配置された複数の粗大粒組織領域2とを含んだ金属組織とすることができる。   In the Ti-6Al-4V alloy as a metal material obtained by sintering as described above, a fine grain structure region 1 having a network structure and a plurality of the fine grain structure areas 1 arranged inside the network. It is possible to make a metal structure including the coarse grain structure region 2.

上記構成の製造方法によれば、焼結工程における昇温によって、昇温前の微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒の固相であるHCP相とは異なる他の固相であるBCC相の結晶粒を析出させるので、微細粒組織領域1をさらに微細な結晶粒からなる金属組織とすることができる。この結果、その後より高温で保持されることで仮に結晶粒が多少成長したとしても、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒が粗大化するのを抑制できる。   According to the manufacturing method having the above configuration, the solid phase is different from the HCP phase that is the solid phase of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region 1 before the temperature increase due to the temperature increase in the sintering step. Since the crystal grains of the BCC phase are precipitated, the fine grain structure region 1 can be made a metal structure composed of finer crystal grains. As a result, even if the crystal grains grow somewhat by being held at a higher temperature after that, it is possible to suppress coarsening of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region.

図6は、焼結工程における金属材料の微細粒組織領域1の結晶粒の変化を示した他の例を示す図である。この図6では、粉末粒子3の原材料として、Co−28Cr−6Mo合金を用いた場合について説明する。   FIG. 6 is a diagram showing another example showing changes in crystal grains in the fine grain structure region 1 of the metal material in the sintering process. This FIG. 6 demonstrates the case where a Co-28Cr-6Mo alloy is used as a raw material of the powder particle 3. FIG.

Co−28Cr−6Mo合金においても、約1200Kで、常温で安定相であるHCP相から、常温で準安定相であるFCC相に固相変態を開始する。
図6(a)は、本例の焼結工程における温度条件と、変態を開始する温度との関係を示した図である。図に示すように、Co−28Cr−6Mo合金を用いた場合、保持温度Tが、FCC相の領域に設定されており、HCP相からFCC相に固相変態を開始する変態開始温度を通過するように温度条件が設定されている。よって、焼結工程における温度は、HCP単相領域から、HCP相とFCC相の2相領域、FCC単相領域に亘って昇温され、保持温度Tに到達した後、保持時間Hで保持され、その後、所定の降温速度によって冷却降温される。
Also in the Co-28Cr-6Mo alloy, solid phase transformation is started at about 1200 K from the HCP phase, which is a stable phase at normal temperature, to the FCC phase, which is a metastable phase at normal temperature.
FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the temperature condition in the sintering process of this example and the temperature at which transformation starts. As shown in the figure, when a Co-28Cr-6Mo alloy is used, the holding temperature T is set in the FCC phase region, and passes through the transformation start temperature at which solid phase transformation starts from the HCP phase to the FCC phase. The temperature conditions are set as follows. Therefore, the temperature in the sintering process is raised from the HCP single-phase region to the two-phase region of the HCP phase and the FCC phase, and the FCC single-phase region. After reaching the holding temperature T, the temperature is held for the holding time H. Thereafter, the temperature is lowered by cooling at a predetermined temperature lowering rate.

図6(b)は、本例における各相ごとの温度領域における微細粒組織領域1の結晶粒の変化を示す図である。
なお、ここでは、メカニカルミリング処理前のCo−28Cr−6Mo合金による粉末粒子3として、上述したような、準安定相であるFCC相の結晶粒を多く含んでいるものを用いた場合を示している。
FIG.6 (b) is a figure which shows the change of the crystal grain of the fine grain structure area | region 1 in the temperature area | region for every phase in this example.
Here, the case where the powder particles 3 made of the Co-28Cr-6Mo alloy before the mechanical milling process contain a lot of crystal grains of the FCC phase which is a metastable phase as described above is shown. Yes.

図に示すように、Co−28Cr−6Mo合金におけるメカニカルミリング処理前(MM前)における粉末粒子表面付近の結晶粒は、比較的粗大な結晶粒で構成されている。このとき、Co−28Cr−6Mo合金は、準安定相であるFCC相の結晶粒を多く含んでいる。なお、図に示すように、わずかに安定相であるHCP相の結晶粒を含んでいる場合もある。
粉末粒子表面付近の結晶粒は、その後メカニカルミリング処理によって微細化され、表面部微細粒組織領域8とされる。
As shown in the figure, the crystal grains in the vicinity of the powder particle surface before mechanical milling (before MM) in the Co-28Cr-6Mo alloy are composed of relatively coarse crystal grains. At this time, the Co-28Cr-6Mo alloy contains many crystal grains of the FCC phase which is a metastable phase. In addition, as shown in the figure, the crystal grains of the HCP phase which is a slightly stable phase may be included.
The crystal grains near the surface of the powder particles are then refined by a mechanical milling process to form a surface portion fine grain structure region 8.

メカニカルミリング処理後(MM後)、及び変態開始温度以下であるHCP単相領域では、微細粒組織領域1(表面部微細粒組織領域8)は、メカニカルミリング処理によって微細化された微細結晶粒で構成されている。さらに準安定相であるCo−28Cr−6Mo合金は、上述したように、メカニカルミリング処理によって、その表面において加工誘起マルテンサイト変態が生じ、安定相であるHCP相に変態する。よって、この場合の微細粒組織領域1は、実質的にHCP相単相の微細な結晶粒で構成されている。
つまり、図に示すように、MM前の表面がFCC相とHCP相の2相が存在していたとしても、メカニカルミリング処理によって、実質的にHCP相単相の微細結晶粒とすることができる。
In the HCP single phase region after the mechanical milling process (after MM) and below the transformation start temperature, the fine grain structure region 1 (surface portion fine grain structure region 8) is a fine crystal grain refined by the mechanical milling process. It is configured. Further, as described above, the Co-28Cr-6Mo alloy that is a metastable phase undergoes processing-induced martensitic transformation on the surface thereof by mechanical milling, and transforms into an HCP phase that is a stable phase. Therefore, the fine grain structure region 1 in this case is substantially composed of fine crystal grains of a single HCP phase.
That is, as shown in the figure, even if the surface before MM has two phases of FCC phase and HCP phase, it can be substantially made into HCP phase single phase fine crystal grains by mechanical milling treatment. .

メカニカルミリング処理後、常温から昇温されてHCP単相領域を通過するとともに、変態開始温度を通過して2相領域に到達すると、微細粒組織領域1には、FCC相の結晶粒の析出が生じる。つまり、2相領域における微細粒組織領域1は、HCP相の微細な結晶粒と、析出した微細なFCC相の結晶粒との2相組織となる。これによって、微細粒組織領域1全体として結晶粒がより微細されるとともに、新たに析出したFCC相の結晶粒によってHCP相の結晶粒の粗大化が抑制される。
このとき、粗大粒組織領域2においては、すでにFCC相の結晶粒で構成されているため、2相領域においては大きく影響を受けない。
After the mechanical milling process, when the temperature is raised from room temperature and passes through the HCP single phase region, and passes through the transformation start temperature and reaches the two phase region, precipitation of FCC phase crystal grains occurs in the fine grain structure region 1. Arise. That is, the fine grain structure region 1 in the two-phase region has a two-phase structure of fine crystal grains of the HCP phase and precipitated fine crystal grains of the FCC phase. As a result, the crystal grains become finer as a whole in the fine grain structure region 1 and the coarsening of the HCP phase crystal grains is suppressed by the newly precipitated FCC phase crystal grains.
At this time, since the coarse grain structure region 2 is already composed of crystal grains of the FCC phase, the two-phase region is not greatly affected.

さらに昇温され、2相領域を通過しFCC単相領域に到達し保持温度Tで保持されると、微細粒組織領域1は、FCC相の結晶粒で構成される単相組織となる。このとき、FCC単相領域内に属する保持温度Tで保持されることで、微細粒組織領域1の各結晶粒は粗大化するおそれがある。
しかし、この場合も、変態開始温度を通過させることで新たに析出させた結晶粒によって微細粒組織領域1全体として結晶粒がより微細化されたことに加え、保持温度TをFCC単相領域内において極力低温に維持することによって、微細粒組織領域1の各結晶粒の粗大化が抑制される。
このとき、粗大粒組織領域2においても、FCC相の結晶粒で構成される単相組織となるが、そのまま保持されることで、粗大な結晶粒が維持される。
When the temperature is further increased, the two-phase region is reached, the FCC single-phase region is reached and the holding temperature T is maintained, the fine-grained structure region 1 becomes a single-phase structure composed of FCC phase crystal grains. At this time, each crystal grain in the fine grain region 1 may be coarsened by being held at the holding temperature T belonging to the FCC single phase region.
However, in this case, in addition to the fact that the crystal grains are further refined as a whole by the crystal grains newly precipitated by passing the transformation start temperature, the holding temperature T is set within the FCC single-phase region. By keeping the temperature as low as possible, the coarsening of each crystal grain in the fine grain structure region 1 is suppressed.
At this time, the coarse grain structure region 2 also has a single-phase structure composed of FCC phase crystal grains, but the coarse crystal grains are maintained by being maintained as it is.

その後、冷却降温され、再度HCP単相領域に到達すると、微細粒組織領域1は、微細な結晶粒で構成された状態を維持した組織となる。
ここで、Co−28Cr−6Mo合金は、FCC単相領域から所定の冷却速度で冷却降温すると、準安定相であるFCC相で構成された組織となるが、降温条件を適切に設定することで、FCC相の結晶粒組織の中に、一部HCP相の結晶粒を含む組織とすることができる。この場合、微細粒組織領域1は、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒(FCC相の結晶粒及びHCP相の結晶粒)を含んだ2相組織となる。
After that, when the temperature is lowered and the HCP single phase region is reached again, the fine grain structure region 1 becomes a structure that maintains a state composed of fine crystal grains.
Here, when the Co-28Cr-6Mo alloy is cooled and cooled at a predetermined cooling rate from the FCC single phase region, it becomes a structure composed of the FCC phase that is a metastable phase. The FCC phase crystal grain structure may partially include a HCP phase crystal grain. In this case, the fine grain structure region 1 has a two-phase structure including two kinds of crystal grains having different crystal structures (FCC phase crystal grains and HCP phase crystal grains).

上記のように焼結することによって得られた金属材料としてのCo−28Cr−6Mo合金では、網目状組織とされた微細粒組織領域1と、微細粒組織領域1の網目内部に配置された複数の粗大粒組織領域2とを含んだ金属組織とすることができる。   In the Co-28Cr-6Mo alloy as the metal material obtained by sintering as described above, a fine grain structure region 1 having a network structure and a plurality of the fine grain structure areas 1 arranged inside the network. It is possible to make a metal structure including the coarse grain structure region 2.

上記構成の製造方法においても、焼結工程における昇温によって、昇温前の微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒の固相とは異なる他の固相の結晶粒を析出させるので、微細粒組織領域1をさらに微細な結晶粒からなる金属組織とすることができる。この結果、その後より高温で保持され仮に結晶粒が多少成長したとしても、微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒が粗大化するのを抑制することができる。   Also in the manufacturing method having the above-described structure, the solid phase crystal grains different from the solid phase of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region 1 before the temperature rise are precipitated by the temperature rise in the sintering process. The fine grain structure region 1 can be made into a metal structure made of finer crystal grains. As a result, even if the crystal grains are held at a higher temperature and grow somewhat, the fine crystal grains constituting the fine grain structure region 1 can be prevented from becoming coarse.

例えば、HCP単相領域において微細粒組織領域1がFCC相の単相である場合、常温から昇温されて変態開始温度を通過し2相領域に到達したとしても、微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒がFCC相であるため、異なる固相の結晶粒の析出は生じ得ない。このため、当該微細結晶粒の粗大化を抑制することができず、微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒が粗大化してしまうおそれがある。   For example, when the fine grain structure region 1 is a single phase of the FCC phase in the HCP single phase region, the fine grain structure region 1 is formed even if the temperature is raised from room temperature and passes through the transformation start temperature and reaches the two phase region. Since the fine crystal grains are in the FCC phase, precipitation of crystal grains of different solid phases cannot occur. For this reason, the coarsening of the fine crystal grains cannot be suppressed, and the fine crystal grains constituting the fine grain structure region 1 may be coarsened.

この点、上記製造方法では、粉末粒子3の表面に存在するFCC相を、前記メカニカルミリング処理によって安定相であるHCP相に変態させることで、粉末粒子3の表面に実質的に安定相の単相とされた表面部微細粒組織領域8を形成するものであり、焼結工程において、微細粒組織領域1に、準安定相(FCC相)の結晶粒を析出させるように構成されている。
この場合、メカニカルミリング処理前の粉末粒子がFCC相を含むものであったとしても、メカニカルミリング処理によって、粉末粒子3の表面に存在するFCC相の部分をHCP相に変態させるので、中間粒子6の表面部微細粒組織領域8を実質的にHCP相の単相とすることができ、微細粒組織領域1を実質的にHCP相の単相とすることができる。このため、焼結工程における昇温によって、FCC相の結晶粒を確実かつ均一に析出させることができ、微細粒組織領域1を均一に微細化することができる。この結果、微細粒組織領域1における結晶粒の粗大化を均一に抑制することができる。
In this regard, in the above production method, the FCC phase present on the surface of the powder particle 3 is transformed into the HCP phase, which is a stable phase, by the mechanical milling process, so that the surface of the powder particle 3 is substantially a single stable phase. The surface portion fine grain structure region 8 is formed into a phase, and is configured to precipitate metastable phase (FCC phase) crystal grains in the fine grain structure region 1 in the sintering step.
In this case, even if the powder particles before the mechanical milling treatment include FCC phase, the portion of the FCC phase existing on the surface of the powder particles 3 is transformed into the HCP phase by the mechanical milling treatment. The surface fine-grain structure region 8 can be substantially a single phase of the HCP phase, and the fine-grain texture region 1 can be substantially a single phase of the HCP phase. For this reason, the crystal grains of the FCC phase can be reliably and uniformly precipitated by increasing the temperature in the sintering step, and the fine grain structure region 1 can be uniformly refined. As a result, coarsening of crystal grains in the fine grain structure region 1 can be suppressed uniformly.

また、上記製造方法では、原材料として、Ti−6Al−4V合金、及びCo−28Cr−6Mo合金を用いた場合を例示したが、これに限定されるものではなく、焼結温度にまで昇温する過程において、昇温前の微細粒組織領域1を構成している微細結晶粒の固相とは異なる他の固相の結晶粒を析出させることが可能な合金素材であればよい。
より具体的には、加工誘起変態や、拡散変態で2相となる合金、オーステナイト系ステンレス鋼や、2相ステンレス鋼が挙げられる。
Moreover, in the said manufacturing method, although the case where Ti-6Al-4V alloy and Co-28Cr-6Mo alloy were used as a raw material was illustrated, it is not limited to this, It heats up to sintering temperature. In the process, any alloy material may be used as long as it can precipitate crystal grains of another solid phase different from the solid phase of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region 1 before the temperature rise.
More specifically, an alloy that becomes a two-phase by processing-induced transformation or diffusion transformation, an austenitic stainless steel, or a two-phase stainless steel.

18Cr−8Niステンレス鋼等のオーステナイト系ステンレス鋼は、常温で準安定相であるオーステナイト相であり、Co−28Cr−6Mo合金と同様、メカニカルミリング処理等によって表面に強加工が与えられると加工誘起マルテンサイト変態が生じ、安定相であるα’相(BCC相)に変態する。
よって、オーステナイト系ステンレス鋼を原材料として用いた場合、Co−28Cr−6Mo合金を用いた場合と同様に、メカニカルミリング処理によって粉末粒子3の表面の微細粒組織領域1を相変態させ、網目状組織とされた微細粒組織領域1と、微細粒組織領域1の網目内部に配置された複数の粗大粒組織領域2とを含んだ金属組織とすることができる。つまり、Co−28Cr−6Mo合金や、オーステナイト系ステンレス鋼のように、顕著に加工硬化を生じる合金であれば、同様の製造方法によって金属材料を製造することができる。
An austenitic stainless steel such as 18Cr-8Ni stainless steel is an austenitic phase that is a metastable phase at room temperature, and, like a Co-28Cr-6Mo alloy, when a strong work is applied to the surface by mechanical milling or the like, a processing-induced martensite is obtained. Site transformation occurs and transforms into α ′ phase (BCC phase) which is a stable phase.
Therefore, when austenitic stainless steel is used as a raw material, as in the case of using a Co-28Cr-6Mo alloy, the fine grain structure region 1 on the surface of the powder particle 3 is transformed by a mechanical milling process, and a network structure is obtained. It is possible to obtain a metal structure including the fine grain structure region 1 and a plurality of coarse grain structure regions 2 arranged inside the mesh of the fine grain structure region 1. That is, a metal material can be manufactured by the same manufacturing method as long as it is an alloy that causes remarkable work hardening, such as a Co-28Cr-6Mo alloy or an austenitic stainless steel.

また、例えば、加工によって比較的容易にマルテンサイト変態を生じるNi−Ti合金等の形状記憶合金や、加工硬化が著しく生じるマンガン鋼についても、Co−28Cr−6Mo合金と同様の製造方法によって金属材料を製造することができる。   Further, for example, a shape memory alloy such as a Ni—Ti alloy that causes martensite transformation relatively easily by processing, and a manganese steel that causes remarkable work hardening are also produced by a manufacturing method similar to that for a Co-28Cr-6Mo alloy. Can be manufactured.

なお上記製造方法では、粉末粒子に対する強加工としてメカニカルミリング処理を行い、表面に微細粒組織領域を設ける場合を示したが、例えば、一般的なボールミル、超音波ミル、振動ミル、あるいは、ショットブラスト等、表面に微細な加工を施すことで生じる応力によって、組織を微細化でき、また変態を誘起することが可能な他の強加工法によって、微細粒組織領域を設けることもできる。   In the above manufacturing method, the case where mechanical milling processing is performed as a strong processing on powder particles and a fine grain structure region is provided on the surface has been shown. For example, a general ball mill, ultrasonic mill, vibration mill, or shot blasting The fine grain structure region can also be provided by other strong working methods capable of miniaturizing the structure by the stress generated by performing fine processing on the surface and capable of inducing transformation.

また、上記製造方法における焼結工程では、放電プラズマ焼結によって粉末粒子(中間粒子)を加圧し焼結した場合を示したが、材料等に応じて焼結可能であれば、無加圧焼結であってもよい。また加熱方法も放電プラズマによるパルス通電加熱に限られず、その他一般的な熱源によって加熱してもよい。   Moreover, in the sintering process in the above manufacturing method, the case where powder particles (intermediate particles) are pressed and sintered by discharge plasma sintering has been shown. It may be a result. Further, the heating method is not limited to pulse current heating by discharge plasma, and heating may be performed by other general heat sources.

次に、実施例などに基づいて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail based on examples and the like, but the present invention is not limited only to such examples.

〔Co−28Cr−6Mo合金について〕
まず、Co−28Cr−6Mo合金からなる粉末粒子を焼結することによって金属材料を製造した際の実験例について説明する。
(実験例1〜4)
粉末粒子として、回転電極法によって製造されたCo−28Cr−6Mo合金(ASTM−F75相当)の粉末(平均粒子径217μm)を用いた。
このCo−28Cr−6Mo合金の粉末粒子の化学成分は、下記表1の通りであり、用いた粉末粒子は、実質的に単一の合金からなるものであることが確認できる。
[Co-28Cr-6Mo alloy]
First, an experimental example when a metal material is manufactured by sintering powder particles made of a Co-28Cr-6Mo alloy will be described.
(Experimental Examples 1-4)
As powder particles, a Co-28Cr-6Mo alloy (equivalent to ASTM-F75) powder (average particle diameter 217 μm) produced by the rotating electrode method was used.
The chemical components of the powder particles of this Co-28Cr-6Mo alloy are as shown in Table 1 below, and it can be confirmed that the used powder particles are substantially composed of a single alloy.

上記Co−28Cr−6Mo合金からなる粉末粒子を、鋼製ボール(JIS SUJ2
相当、平均粒子径5mm)とともに、遊星型ボールミル装置(フリッチュ社製、商品名:P−5型)の容器内に投入した。処理条件を、アルゴン雰囲気、室温、ボール:粉末粒子=2:1(質量比率)、回転速度200rpm、処理時間0ks(実験例1)、54ks(実験例2)、90ks(実験例3)、180ks(実験例4)とし、Co−28Cr−6Mo合金の粉末粒子に対して、メカニカルミリング処理を行い、中間粒子を得た。
Powder particles made of the above Co-28Cr-6Mo alloy are made into steel balls (JIS SUJ2).
And an average particle diameter of 5 mm) were put into a container of a planetary ball mill apparatus (manufactured by Fritsch, trade name: P-5 type). The treatment conditions were as follows: argon atmosphere, room temperature, ball: powder particles = 2: 1 (mass ratio), rotation speed 200 rpm, treatment time 0 ks (Experiment 1), 54 ks (Experiment 2), 90 ks (Experiment 3), 180 ks. As Experimental Example 4, mechanical milling was performed on the powder particles of the Co-28Cr-6Mo alloy to obtain intermediate particles.

(試験例1)
実験例1〜4で得られた中間粒子の外観をSEM((株)日立ハイテクノロジーズ社製、商品名:FE−SEM S−4800)で観察した。
図7は、試験例1による中間粒子の観察結果を示す図であり、(a)は、実験例1で得られた中間粒子の観察結果、(b)は、実験例2で得られた中間粒子の観察結果、(c)は、実験例3で得られた中間粒子の観察結果、(d)は、実験例4で得られた中間粒子の観察結果である。
(Test Example 1)
The appearance of the intermediate particles obtained in Experimental Examples 1 to 4 was observed with SEM (trade name: FE-SEM S-4800, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).
7A and 7B are diagrams showing the observation results of the intermediate particles obtained in Test Example 1. FIG. 7A shows the observation results of the intermediate particles obtained in Experimental Example 1, and FIG. 7B shows the intermediate results obtained in Experimental Example 2. The observation results of the particles, (c) are the observation results of the intermediate particles obtained in Experimental Example 3, and (d) are the observation results of the intermediate particles obtained in Experimental Example 4.

メカニカルミリング処理の処理時間によって、各中間粒子の粒子径が極端に減少するといった様子は見られない。
図7(a)に示すように、メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例1)の粒子表面には、線状の模様が多数見られるが、図7(b)〜(d)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後のもの(実験例2〜4)の粒子表面には、線状の模様は見られず、梨地状となっており、メカニカルミリング処理によって、表面全体に亘って強加工が施されていることが確認できる。
The state in which the particle diameter of each intermediate particle is extremely reduced by the processing time of the mechanical milling process is not seen.
As shown in FIG. 7 (a), many linear patterns are observed on the particle surface of the particles not subjected to mechanical milling (processing time 0ks: Experimental Example 1). As shown in d), after the mechanical milling treatment (Experimental Examples 2 to 4), no linear pattern is seen on the particle surface, which is a satin finish, and by mechanical milling treatment, It can be confirmed that strong processing is performed over the entire surface.

(試験例2)
実験例1〜4で得られた中間粒子に対してX線回折装置((株)リガク社製、商品名:RINT2000)を用いて回折パターンを測定し、定性分析を行った。
図8は、試験例2による中間粒子のX線回折パターンを示す図であり、最下段がメカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例1)を示す図、最上段がメカニカルミリング処理を行った後のもの(処理時間54ks:実験例2)を示す図である。また、下から2段目及び3段目には、メカニカルミリング処理の処理時間が0.6ks、3.6ksのもののX線回折パターンを示している。
(Test Example 2)
The intermediate particles obtained in Experimental Examples 1 to 4 were subjected to qualitative analysis by measuring diffraction patterns using an X-ray diffractometer (trade name: RINT2000, manufactured by Rigaku Corporation).
FIG. 8 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of an intermediate particle according to Test Example 2, in which the lowermost row shows that mechanical milling treatment is not performed (processing time 0 ks: Experimental Example 1), and the uppermost row shows mechanical milling. It is a figure which shows the thing after processing (processing time 54ks: Experimental example 2). The second and third stages from the bottom show X-ray diffraction patterns with mechanical milling time of 0.6 ks and 3.6 ks.

メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例1)では、FCC相(α相)のピークのみが見られ、HCP相(ε相)のピークはほとんど確認することができない。   In the case where mechanical milling treatment is not performed (treatment time 0 ks: Experimental Example 1), only the peak of the FCC phase (α phase) is seen, and the peak of the HCP phase (ε phase) can hardly be confirmed.

メカニカルミリング処理の処理時間が0.6ksである場合のX線回折パターンを見ると、FCC相のピークとともにHCP相のピークが現れていることが判る。さらに、メカニカルミリング処理の処理時間が長くなるに従って、HCP相のピーク強度が、FCC相のピーク強度に対して相対的に大きくなっていることが判る。   From the X-ray diffraction pattern when the mechanical milling time is 0.6 ks, it can be seen that the HCP phase peak appears together with the FCC phase peak. Further, it can be seen that the peak intensity of the HCP phase is relatively larger than the peak intensity of the FCC phase as the processing time of the mechanical milling process is increased.

一般に、Co−28Cr−6Mo合金の粉末粒子の表面にメカニカルミリング処理を行えば、その部分には加工誘起マルテンサイトが生じHCP相が現れる。
つまり、上記結果から、粉末粒子の表面にメカニカルミリング処理を行うことによって、粉末粒子の表面に存在するFCC相が安定相であるHCP相(加工誘起マルテンサイト)に変態していることが確認できる。
In general, when mechanical milling treatment is performed on the surface of powder particles of a Co-28Cr-6Mo alloy, work-induced martensite is generated in that portion and an HCP phase appears.
That is, from the above results, it can be confirmed that the FCC phase present on the surface of the powder particle is transformed into a stable HCP phase (processing induced martensite) by performing mechanical milling on the surface of the powder particle. .

図9は、試験例2による中間粒子のX線回折パターンを示す図であり、実験例1〜4によるX線回折パターンを示している。
メカニカルミリング処理を行っていない実験例1と比較して、メカニカルミリング処理を行った実験例2〜4のX線回折パターンでは、ピーク幅が広がるように現れている。さらに、メカニカルミリング処理の処理時間が増加するに従って、ピーク幅の広がりが序々に大きくなっている。
これは、メカニカルミリング処理によって、粉末粒子の表面部分の結晶組織にランダムなひずみが導入されているためであると思われる。よって、この点からも、粉末粒子の表面にメカニカルミリング処理を行うことによって、粉末粒子の表面に強加工が行われ相変態を誘起していることが確認できる。
FIG. 9 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern of intermediate particles according to Test Example 2, and illustrates X-ray diffraction patterns according to Experimental Examples 1 to 4.
Compared with Experimental Example 1 in which mechanical milling treatment is not performed, the X-ray diffraction patterns of Experimental Examples 2 to 4 in which mechanical milling treatment is performed appear such that the peak width is widened. Further, as the processing time of the mechanical milling process increases, the peak width gradually increases.
This seems to be because random strain is introduced into the crystal structure of the surface portion of the powder particles by the mechanical milling process. Therefore, also from this point, by performing mechanical milling on the surface of the powder particles, it can be confirmed that the surface of the powder particles is strongly processed to induce phase transformation.

(実験例5)
実験例1で得られた中間粒子を、下記寸法の円筒状のダイ及びパンチによって構成された金型に充填した。
ダイ :外径30mm、内径15.2mm、軸方向長さ30mm
パンチ:外径15mm、軸方向長さ20mm
(Experimental example 5)
The intermediate particles obtained in Experimental Example 1 were filled into a mold constituted by a cylindrical die and a punch having the following dimensions.
Die: Outer diameter 30mm, Inner diameter 15.2mm, Axial length 30mm
Punch: outer diameter 15mm, axial length 20mm

金型に充填された中間粒子を放電プラズマ焼結装置(シンテックス(株)製、商品名:DR.SINTER−1020)によって、真空下(15Pa>)で、所定の温度条件及び圧力条件で焼結し、厚さ2.5〜5.5mm、直径15mmの円板状の焼結体(金属材料)を得た。   The intermediate particles filled in the mold are baked under a predetermined temperature condition and pressure condition under a vacuum (15 Pa>) with a discharge plasma sintering apparatus (manufactured by Syntex Co., Ltd., trade name: DR.SINTER-1020). As a result, a disk-shaped sintered body (metal material) having a thickness of 2.5 to 5.5 mm and a diameter of 15 mm was obtained.

図10は、実験例5における温度条件及び圧力条件を示す図である。図に示すように、温度条件は、昇温速度1.17K/sで昇温させ保持温度Tが1323K、保持時間Hが3.6ksとなるように保持し、その後、降温速度1.1K/s(制御プログラムの設定値)で冷却降温するように設定した。また、圧力条件は、上記温度条件において1323Kに到達するときに保持圧力Pが50MPaとなるように昇圧して、保持時間Hの間、50MPaを維持し、その後、降圧速度1.7MPa/sで降圧するように設定した。   FIG. 10 is a diagram illustrating temperature conditions and pressure conditions in Experimental Example 5. As shown in the figure, the temperature condition is that the temperature is increased at a rate of temperature increase of 1.17 K / s and maintained such that the retention temperature T is 1323 K and the retention time H is 3.6 ks, and then the temperature decrease rate is 1.1 K / s. s (set value of control program) was set to cool down. Further, the pressure condition is such that the holding pressure P is increased to 50 MPa when reaching 1323 K under the above temperature condition, and is maintained at 50 MPa for the holding time H, and then the pressure reduction rate is 1.7 MPa / s. It was set to step down.

(実験例6〜8)
実験例2で得られた中間粒子を用いて実験例5と同様の操作を行い、円板状の焼結体を得た(実験例6)。同様に、実験例3で得られた中間粒子を用いて実験例5と同様の操作を行い、円板状の焼結体を得た(実験例7)。実験例4で得られた中間粒子を用いて実験例5と同様の操作を行い、円板状の焼結体を得た(実験例8)。
(Experimental Examples 6 to 8)
Using the intermediate particles obtained in Experimental Example 2, the same operation as in Experimental Example 5 was performed to obtain a disk-shaped sintered body (Experimental Example 6). Similarly, the same operations as in Experimental Example 5 were performed using the intermediate particles obtained in Experimental Example 3 to obtain a disk-shaped sintered body (Experimental Example 7). Using the intermediate particles obtained in Experimental Example 4, the same operation as in Experimental Example 5 was performed to obtain a disk-shaped sintered body (Experimental Example 8).

(試験例3)
実験例5〜8で得られた金属材料を切断し試験片を得た。この試験片を樹脂に埋包した上で、切断面を鏡面研磨した後、SEMが備えるEBSD(Electron Back Scattering Diffraction Pattern)検出器(オックスフォード・インストゥルメンツ株式会社製、商品名:NordlysNano)を用いて各金属材料における結晶粒の観察を行った。
(Test Example 3)
The metal material obtained in Experimental Examples 5 to 8 was cut to obtain test pieces. After embedding this test piece in a resin, the cut surface is mirror-polished, and then an EBSD (Electron Back Scattering Pattern Pattern) detector (trade name: NordlysNano) manufactured by Oxford Instruments Co., Ltd. is used. The crystal grains in each metal material were observed.

図11は、試験例3における各金属材料における結晶粒界マップを示す図であり、(a)は、実験例5で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、実験例6で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(c)は、実験例7で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(d)は、実験例8で得られた金属材料の結晶粒界マップである。なお、図中、スケールバーは100μmを示している。   FIG. 11 is a diagram showing a crystal grain boundary map in each metal material in Test Example 3, wherein (a) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 5, and (b) is Experimental Example 6. (C) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 7, and (d) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 8. It is a map. In the figure, the scale bar indicates 100 μm.

図11(a)に示すように、メカニカルミリング処理を行わずに焼結したもの(実験例5)の断面組織では、比較的粗大な結晶粒と、粗大な結晶粒と比較して微細な結晶粒とが見られる。
上記比較的粗大な結晶粒(粗大結晶粒)は、複数で円形状の集合体を形成しており、元の粉末粒子を構成していた結晶粒であることが判る。比較的微細な結晶粒(微細結晶粒)は、他の実験例と比較してその占める割合が少なく、複数の粗大結晶粒で構成されている集合体同士の間に部分的に存在している。
このようにメカニカルミリング処理を行わずに焼結した実験例5に係る金属材料は、網目状組織とされた微細粒組織領域を有していない。
As shown in FIG. 11A, in the cross-sectional structure of the sintered product (Experimental Example 5) that is not subjected to mechanical milling treatment, relatively coarse crystal grains and fine crystals as compared with coarse crystal grains. Seen with grains.
It can be seen that the relatively coarse crystal grains (coarse crystal grains) form a plurality of circular aggregates, and are the crystal grains constituting the original powder particles. Relatively fine crystal grains (fine crystal grains) occupy a small proportion compared to other experimental examples, and exist partially between aggregates composed of a plurality of coarse crystal grains. .
Thus, the metal material which concerns on the experiment example 5 sintered without performing a mechanical milling process does not have the fine grain structure area | region made into network structure.

図11(b)〜(d)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後に焼結したもの(実験例6〜8)の断面組織では、微細結晶粒によって構成されている微細粒組織領域を含むとともに、粗大結晶粒によって構成されている粗大粒組織領域を複数含んでいる。
複数の粗大粒組織領域は、微細粒組織領域内に分散点在しており、微細粒組織領域が、網目状組織となっていることが判る。
As shown in FIGS. 11B to 11D, in the cross-sectional structure of the sintered product after performing the mechanical milling process (Experimental Examples 6 to 8), a fine grain structure region constituted by fine crystal grains is shown. And a plurality of coarse grain structure regions composed of coarse crystal grains.
It can be seen that the plurality of coarse grain structure regions are dispersed in the fine grain structure region, and the fine grain structure region has a network structure.

また、図11(b)〜(d)を見ると、メカニカルミリング処理の処理時間が長くなるに従って、各粗大粒組織領域の大きさが小さくなり、粗大粒組織領域の占める面積が序々に小さくなっていることが判る。
粗大粒組織領域は、図11(a)における複数の粗大結晶粒の集合体に相当するものであり、焼結前の中間粒子を構成していた結晶粒の内、中間粒子の中心部においてメカニカルミリング処理の影響を受けなかった部分である。一方、網目状組織とされている微細粒組織領域は、焼結前の中間粒子それぞれの表面にメカニカルミリング処理によって形成されていた表面部微細粒組織領域が焼結によって互いに結合した部分である。
11B to 11D, as the processing time of the mechanical milling process is increased, the size of each coarse grain structure region is reduced, and the area occupied by the coarse grain structure region is gradually reduced. You can see that
The coarse grain structure region corresponds to an aggregate of a plurality of coarse crystal grains in FIG. 11 (a), and among the crystal grains constituting the intermediate grains before sintering, a mechanical portion is provided at the center of the intermediate grains. This is the part that was not affected by the milling process. On the other hand, the fine grain structure region which is a network structure is a part where the surface fine grain structure regions formed by mechanical milling on the surface of each intermediate particle before sintering are bonded to each other by sintering.

よって、メカニカルミリング処理の処理時間が長くなるに従って、各粗大粒組織領域の大きさが小さくなり、微細粒組織領域の占める面積が序々に大きくなっていることから、焼結前の中間粒子の表面部微細粒組織領域は、メカニカルミリング処理の処理時間が長ければ長いほどその占める割合が大きくなり、逆に中間粒子の中央部の粗大粒組織領域は、メカニカルミリング処理の処理時間が長ければ長いほどその占める割合が小さくなっていたことが判る。   Therefore, as the processing time of the mechanical milling process becomes longer, the size of each coarse grain structure area becomes smaller and the area occupied by the fine grain structure area gradually increases, so the surface of the intermediate particles before sintering The proportion of the fine grain structure region increases as the processing time of the mechanical milling process increases, and conversely, the coarse grain structure region in the center of the intermediate particle increases as the processing time of the mechanical milling process increases. It can be seen that the proportion occupied was small.

また、上記結果から、メカニカルミリング処理の処理時間を調整することによって、微細粒組織領域の占める割合と、粗大粒組織領域の占める割合とを調整できることが判る。   Moreover, it turns out that the ratio for which a fine grain structure area | region occupies, and the ratio for which a coarse grain structure area | region occupy can be adjusted by adjusting the processing time of a mechanical milling process from the said result.

(試験例4)
試験例3で得た結晶粒界マップの画像データを画像解析ソフト(オックスフォード・インストゥルメンツ株式会社製、商品名:EBSD分析ソフトウェアAZtecHKL)を用いて処理し、実験例5〜8で得られた金属材料それぞれの微細粒組織領域の断面面積率を求めた。また、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の平均結晶粒径、及び粗大粒組織領域を構成している粗大結晶粒の平均結晶粒径を求めた。
(Test Example 4)
The image data of the grain boundary map obtained in Test Example 3 was processed using image analysis software (trade name: EBSD analysis software AZtecHKL manufactured by Oxford Instruments Co., Ltd.), and obtained in Experimental Examples 5 to 8. The cross-sectional area ratio of the fine grain structure region of each metal material was determined. Further, the average crystal grain size of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region and the average crystal grain size of the coarse crystal grains constituting the coarse grain structure region were determined.

図12(a)は、微細粒組織領域の断面面積率と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフである。
図中、実験例6の微細粒組織領域の断面面積率は、57.3%、実験例7の微細粒組織領域の断面面積率は、65.8%、実験例8の微細粒組織領域の断面面積率は、79.2%であった。
このように、メカニカルミリング処理の処理時間が長ければ長いほど微細粒組織領域の断面面積率が高くなっていることを確認することができる。
FIG. 12A is a graph showing the relationship between the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region and the processing time of the mechanical milling process.
In the figure, the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region of Experimental Example 6 is 57.3%, the cross-sectional area ratio of the fine grain structure area of Experimental Example 7 is 65.8%, and the fine grain structure area of Experimental Example 8 The cross-sectional area ratio was 79.2%.
Thus, it can be confirmed that the longer the processing time of the mechanical milling process, the higher the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region.

図12(b)は、微細粒組織領域及び粗大粒組織領域を構成する結晶粒の平均結晶粒径と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフである。
図中、実験例5の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、36.8μm、実験例6の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、37.6μm、実験例7の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、36.4μm、実験例8の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、33.1μmであり、粗大粒組織領域を構成する粗大結晶粒は、メカニカルミリング処理の処理時間に応じてやや小さくなっていることが判る。
一方、微細粒組織領域を構成する微細結晶粒は、実験例6が3.2μm、実験例7が3.1μm、実験例8が3.1μmであり、メカニカルミリング処理の処理時間に関係なく約3μmでほぼ一定であることが判る。
FIG. 12B is a graph showing the relationship between the average crystal grain size of the crystal grains constituting the fine grain structure region and the coarse grain structure region and the processing time of the mechanical milling process.
In the figure, the average crystal grain size of the coarse crystal grain of Experimental Example 5 is 36.8 μm, the average crystal grain size of the coarse crystal grain of Experimental Example 6 is 37.6 μm, and the average crystal grain of the coarse crystal grain of Experimental Example 7 The diameter is 36.4 μm, the average crystal grain size of the coarse crystal grains of Experimental Example 8 is 33.1 μm, and the coarse crystal grains constituting the coarse grain structure region are slightly smaller depending on the processing time of the mechanical milling process. You can see that
On the other hand, the fine crystal grains constituting the fine grain structure region are 3.2 μm in Experimental Example 6, 3.1 μm in Experimental Example 7, and 3.1 μm in Experimental Example 8, and are approximately regardless of the processing time of the mechanical milling process. It can be seen that it is almost constant at 3 μm.

図13は、Co−Cr2元状態図である。実験例5〜8において用いたCo−28Cr−6Mo合金は、Crを27.73重量%含有しているので、図10に示す温度条件によって焼結が行われると、図13によると、1200(927℃)K弱で、安定相であるHCP相単相領域から、常温で準安定相であるFCC相に固相変態を開始して2相領域となり、1200K強で、2相領域から、FCC相単相領域に到達する。また、保持時間Hの間は、FCC単相領域で保持される。   FIG. 13 is a Co—Cr binary state diagram. Since the Co-28Cr-6Mo alloy used in Experimental Examples 5 to 8 contains 27.73% by weight of Cr, when sintering is performed under the temperature condition shown in FIG. 927 ° C.) From a single-phase region of HCP phase, which is a stable phase at K, to a two-phase region starting from a metastable FCC phase at room temperature to become a two-phase region, at a little over 1200K, from the two-phase region to FCC A single-phase region is reached. Further, during the holding time H, it is held in the FCC single phase region.

よって、実験例6〜8では、粉末粒子の表面のFCC相を、メカニカルミリング処理によって安定相であるHCP相に変態させることで、粉末粒子の表面に実質的にHCP相の単相とされた微細粒組織領域を形成するものであり、焼結において、変態開始温度を通過するように昇温することで、メカニカルミリング処理によってHCP相の単相とされている微細粒組織領域に、FCC相の結晶粒を析出させる。これによって、微細粒組織領域がさらに微細な結晶粒からなる金属組織となる。   Therefore, in Experimental Examples 6 to 8, the FCC phase on the surface of the powder particles was transformed into an HCP phase that is a stable phase by mechanical milling treatment, so that the surface of the powder particles was substantially made a single phase of the HCP phase. The fine grain structure region is formed, and in sintering, the FCC phase is formed in the fine grain structure region which is made into a single phase of the HCP phase by mechanical milling by raising the temperature so as to pass the transformation start temperature. Crystal grains are precipitated. Thereby, the fine grain structure region becomes a metal structure composed of finer crystal grains.

これにより、その後より高温の保持温度Tで保持されたとしても、図11(b)〜(d)、図12(b)に示すように、微細粒組織領域を構成する微細結晶粒の平均結晶粒径は、約3μmでほぼ一定となっており、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の粗大化が抑制されている。   Thereby, even if it hold | maintains by the higher holding temperature T after that, as shown to FIG.11 (b)-(d) and FIG.12 (b), the average crystal | crystallization of the fine crystal grain which comprises a fine grain structure area | region The particle size is approximately 3 μm and is almost constant, and the coarsening of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region is suppressed.

また、微細粒組織領域がメカニカルミリング処理によってHCP相の単相とされているので、焼結における昇温によって、FCC相の結晶粒を微細粒組織領域に均一に析出させることができ、微細粒組織領域が均一に微細化される。この結果、微細粒組織領域における結晶粒の粗大化が均一に抑制されている。   In addition, since the fine grain structure region is made into a single phase of the HCP phase by mechanical milling treatment, the crystal grains of the FCC phase can be uniformly precipitated in the fine grain structure region by increasing the temperature during sintering. The tissue region is uniformly refined. As a result, the coarsening of crystal grains in the fine grain structure region is uniformly suppressed.

(試験例5)
マイクロビッカース硬度計((株)島津製作所社製、商品名:HMV−2)を用い、JIS Z2244に従い、実験例5〜8で得られた金属材料それぞれについて、断面硬さ測定を実施した。
試験例3で調製した試験片の切断面に対して、試験荷重980.7mN、保持時間5sでマイクロビッカース硬さ試験を行った。
(Test Example 5)
Using a micro Vickers hardness meter (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: HMV-2), cross-sectional hardness measurement was performed for each of the metal materials obtained in Experimental Examples 5 to 8 according to JIS Z2244.
A micro Vickers hardness test was performed on the cut surface of the test piece prepared in Test Example 3 with a test load of 980.7 mN and a holding time of 5 s.

図14は、マイクロビッカース硬さ試験における測定箇所を説明するための図である。測定箇所は、一つの試験片の切断面の内の任意の領域において、図14に示すように、20μm間隔で直線状に配列された測定箇所を100箇所設定し、各測定箇所について断面硬さを測定した。   FIG. 14 is a diagram for explaining measurement points in the micro Vickers hardness test. As shown in FIG. 14, 100 measurement points arranged linearly at 20 μm intervals are set as measurement points in an arbitrary region within the cut surface of one test piece, and the cross-sectional hardness of each measurement point is set. Was measured.

図15は、試験例5による各金属材料の断面硬さの測定結果を示す図であり、実験例5〜8それぞれの断面硬さ測定値の平均値と、その値の幅を示す図である。
メカニカルミリング処理を行わずに焼結した金属材料(実験例5)は、断面硬さの平均値が403HVであり、他の実験例と比較して断面硬さが低く表れている。これは、実験例5では、図11(a)に示したように、微細粒組織領域がほとんどなく、その金属組織の内の大半が粗大結晶粒で構成されているからである。
実験例6の断面硬さの平均値は、429HV、実験例7の断面硬さの平均値は、458HV、実験例8の断面硬さの平均値は、471HVであった。これらを見ると、メカニカルミリング処理の処理時間が多くなるに従って断面硬さの平均値が大きくなっていることが明らかである。これにより、微細粒組織領域の断面面積率が高くなれば、強度が高められることが判る。
FIG. 15 is a diagram illustrating a measurement result of the cross-sectional hardness of each metal material according to Test Example 5, and is a diagram illustrating an average value of cross-sectional hardness measurement values of each of Experimental Examples 5 to 8 and a width of the value. .
The metal material sintered without mechanical milling (Experimental Example 5) has an average cross-sectional hardness of 403 HV, and the cross-sectional hardness is lower than that of other experimental examples. This is because in Experimental Example 5, as shown in FIG. 11A, there is almost no fine grain structure region, and most of the metal structure is composed of coarse crystal grains.
The average value of the cross-sectional hardness of Experimental Example 6 was 429 HV, the average value of the cross-sectional hardness of Experimental Example 7 was 458 HV, and the average value of the cross-sectional hardness of Experimental Example 8 was 471 HV. From these, it is clear that the average value of the cross-sectional hardness increases as the processing time of the mechanical milling process increases. Thereby, it turns out that intensity | strength is raised if the cross-sectional area ratio of a fine grain structure area | region becomes high.

図16は、試験例5による実験例5〜8それぞれの断面硬さの測定結果に関する度数分布グラフである。なお、図中、縦軸は、断面硬さの数値幅を「10」ごととしたときの相対度数を示しており、横軸は、断面硬さの値を数値幅「10」ごとに示している。   FIG. 16 is a frequency distribution graph regarding the measurement results of the cross-sectional hardness of each of Experimental Examples 5 to 8 according to Test Example 5. In the figure, the vertical axis shows the relative frequency when the numerical value of the cross-sectional hardness is set to every “10”, and the horizontal axis shows the value of the cross-sectional hardness every the numerical value “10”. Yes.

図16中、メカニカルミリング処理を行わずに焼結した金属材料(実験例5)では、350HVから480HVの範囲で一様に広く分散している。
メカニカルミリング処理を行った後に焼結した金属材料(実験例6〜8)では、メカニカルミリング処理の処理時間が多くなるに従って断面硬さの平均値が大きくなるとともに、断面硬さの分布が2つのグループに分かれる。
In FIG. 16, the metal material (Experimental Example 5) sintered without performing mechanical milling is uniformly and widely dispersed in the range of 350 HV to 480 HV.
In the metal materials sintered after mechanical milling (Experimental Examples 6 to 8), the average value of the cross-sectional hardness increases as the processing time of the mechanical milling increases, and the distribution of the cross-sectional hardness is two. Divide into groups.

断面硬さの分布が2つグループに分かれるのは、図11に示したように、実験例6〜8では、微細粒組織領域と、粗大粒組織領域とが存在しているからであり、断面硬さの分布における2つグループの内、値が高い方は微細粒組織領域の断面硬さ、値が低い方は粗大粒組織領域の断面硬さを示している。
また、微細粒組織領域の断面硬さ、及び粗大粒組織領域の断面硬さは、メカニカルミリング処理の処理時間の変化に対して、変化は見られない。
The reason why the distribution of the cross-sectional hardness is divided into two groups is that, as shown in FIG. 11, in Experimental Examples 6 to 8, a fine grain structure region and a coarse grain structure region exist. Of the two groups in the hardness distribution, the higher value indicates the cross-sectional hardness of the fine grain structure region, and the lower value indicates the cross-sectional hardness of the coarse grain structure region.
Moreover, the cross-sectional hardness of a fine grain structure area | region and the cross-sectional hardness of a coarse grain structure area | region do not change with respect to the change of the processing time of a mechanical milling process.

また、図16に示すように、メカニカルミリング処理の処理時間が長くなるに従って、相対的に硬さ値の高い微細粒組織領域の断面硬さの度数が増加している。これは、図11、図12にて示したように、メカニカルミリング処理の処理時間が長ければ長いほど微細粒組織領域の断面面積率が高くなっていることと一致している。つまり、図11、図12にて示したように、メカニカルミリング処理の処理時間が長ければ長いほど微細粒組織領域の面積が大きくなるので、微細粒組織領域の断面硬さを測定する確率がより高くなるためである。   Further, as shown in FIG. 16, as the processing time of the mechanical milling process becomes longer, the degree of cross-sectional hardness of the fine grain structure region having a relatively high hardness value increases. As shown in FIGS. 11 and 12, this is consistent with the fact that the longer the processing time of the mechanical milling process, the higher the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region. That is, as shown in FIGS. 11 and 12, the longer the processing time of the mechanical milling process, the larger the area of the fine grain structure region, so the probability of measuring the cross-sectional hardness of the fine grain structure area is higher. This is because it becomes higher.

(試験例6)
万能試験機((株)島津製作所社製、商品名:オートグラフAG−1 50kN)を用いて、実験例5〜8で得られた金属材料それぞれについて、破断に至るまで引張試験を行った。実験例5〜8で得られた金属材料を用いて長さ3mm、幅1mm、厚み1mmの試験片を作成し、初期歪速度を5.6×10−4−1に設定し引張試験を行った。
(Test Example 6)
Using a universal testing machine (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: Autograph AG-1 50 kN), each of the metal materials obtained in Experimental Examples 5 to 8 was subjected to a tensile test until breaking. A test piece having a length of 3 mm, a width of 1 mm, and a thickness of 1 mm was prepared using the metal materials obtained in Experimental Examples 5 to 8, and an initial strain rate was set to 5.6 × 10 −4 s −1 and a tensile test was performed. went.

図17は、試験例6による引張試験によって得られた応力−ひずみ曲線である。
また、図18は、引張試験によって得られた引張強度と、破断伸びとの関係を示す図である。
FIG. 17 is a stress-strain curve obtained by a tensile test according to Test Example 6.
Moreover, FIG. 18 is a figure which shows the relationship between the tensile strength obtained by the tension test, and breaking elongation.

図中、メカニカルミリング処理を行わずに焼結した金属材料(実験例5)は、最も引張強度が低く、1201MPaであったが、破断伸びは、24.1%と、他の実験例と比較して相対的に高い値であった。   In the figure, the metal material sintered without mechanical milling (Experimental Example 5) had the lowest tensile strength and was 1201 MPa, but the elongation at break was 24.1%, which was compared with other experimental examples. It was a relatively high value.

メカニカルミリング処理を54ks行った後に焼結した金属材料(実験例6)は、引張強度が1283MPaと、実験例5と比較して高くなっている。また、破断伸びは、24.3%とこれも実験例5と比較して高くなっている。   The metal material sintered after performing mechanical milling treatment for 54 ks (Experimental Example 6) has a tensile strength of 1283 MPa, which is higher than that of Experimental Example 5. The elongation at break is 24.3%, which is also higher than that of Experimental Example 5.

メカニカルミリング処理を90ks行った後に焼結した金属材料(実験例7)は、引張強度が1297MPaと、実験例5及び6と比較して高くなっている。一方、破断伸びは、22.6%とやや実験例5と比較してやや低くなっている。   The metal material sintered after performing mechanical milling treatment for 90 ks (Experimental Example 7) has a tensile strength of 1297 MPa, which is higher than that of Experimental Examples 5 and 6. On the other hand, the elongation at break is slightly lower than that of Experimental Example 5 at 22.6%.

メカニカルミリング処理を180ks行った後に焼結した金属材料(実験例8)は、引張強度が1251MPaと、実験例5よりは高いが、実験例6及び7と比較してやや低くなっている。破断伸びは、13.1%と実験例5と比較して低くなっている。   The metal material sintered after performing mechanical milling treatment for 180 ks (Experimental Example 8) has a tensile strength of 1251 MPa, which is higher than that of Experimental Example 5, but slightly lower than that of Experimental Examples 6 and 7. The elongation at break is 13.1%, which is lower than that of Experimental Example 5.

このように、粉末粒子にメカニカルミリング処理を行って焼結することで、金属組織が網目状組織の微細粒組織領域と、網目内部に配置された粗大粒組織領域とで構成されている実験例6及び7による金属材料では、網目状組織の微細粒組織領域を有していない実験例5の金属材料と比較して、強度を高めつつ延性も維持できることが確認できる。   In this way, by conducting a mechanical milling process on the powder particles and sintering, the metal structure is composed of a fine-grain structure region of a network structure and a coarse-grain structure region arranged inside the network. It can be confirmed that the metal materials according to 6 and 7 can maintain the ductility while increasing the strength as compared with the metal material of Experimental Example 5 which does not have the fine grain region of the network structure.

一方、実験例8による金属材料では、金属組織が微細粒組織領域及び粗大粒組織領域で構成されており、実験例5の金属材料に対して強度については高められるが、延性については低下している。この理由は、実験例8では、強度の高い微細粒組織領域の占める割合が大きく、硬さや強度が高くなることにより、変形に対する自由度が低下したためである。
この点より、微細粒組織領域の割合は、実験例7におけるの微細粒組織領域の断面面積率を含む範囲として断面面積率で70%以下であることが好ましいことが判る。
On the other hand, in the metal material according to Experimental Example 8, the metal structure is composed of a fine grain structure region and a coarse grain structure region, and the strength is increased compared to the metal material of Experimental Example 5, but the ductility is reduced. Yes. This is because, in Experimental Example 8, the proportion of the fine grain structure region having high strength is large, and the hardness and strength are increased, so that the degree of freedom in deformation is reduced.
From this point, it can be seen that the ratio of the fine grain structure region is preferably 70% or less in terms of the cross-sectional area ratio as a range including the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region in Experimental Example 7.

(試験例7)
試験例6において作成した実験例5〜8それぞれの試験片であって、引張試験前の試験片と、引張試験後の試験片に対して、X線回折装置を用いて回折パターンを測定した。
図19は、試験例7によるX線回折パターンを示す図であり、実験例5〜8それぞれにおける引張試験前の試験片のX線回折パターンを示している。
また、図20は、試験例7によるX線回折パターンを示す図であり、実験例5〜8それぞれにおける引張試験後の試験片のX線回折パターンを示している。
(Test Example 7)
A diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer for each of the test pieces of Experimental Examples 5 to 8 created in Test Example 6 before the tensile test and after the tensile test.
FIG. 19 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern according to Test Example 7, and shows an X-ray diffraction pattern of a test piece before a tensile test in each of Experimental Examples 5 to 8.
Moreover, FIG. 20 is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern by Test Example 7, and has shown the X-ray-diffraction pattern of the test piece after the tension test in each of Experimental Examples 5-8.

図19及び図20を見ると、共に、FCC相のピークとともに、HCP相のピークが見られ、実験例5〜8による金属材料が、FCC相と、HCP相の2相組織で構成されていることが判る。   19 and 20, both the peak of the HCP phase is seen together with the peak of the FCC phase, and the metal materials according to Experimental Examples 5 to 8 are composed of the two-phase structure of the FCC phase and the HCP phase. I understand that.

また、引張試験前後でX線回折パターンを比較すると、引張試験前(図19)では、HCP相のピークの内、(10−11)面のピークが、実験例5〜8のいずれについても極めて低い状態であるのに対して、引張試験後(図20)では、実験例6〜8の試験片については顕著に表れている。また、引張試験後の実験例5の試験片については、引張試験前とほとんど変化がない。   Further, comparing the X-ray diffraction patterns before and after the tensile test, before the tensile test (FIG. 19), the peak of the (10-11) plane among the peaks of the HCP phase is extremely high in any of Experimental Examples 5 to 8. In contrast to the low state, after the tensile test (FIG. 20), the test pieces of Experimental Examples 6 to 8 remarkably appear. Moreover, about the test piece of Experimental example 5 after a tensile test, there is almost no change with the thing before a tensile test.

上記結果から、実験例6〜8では、引張試験による塑性変形に起因してFCC相がHCP相に相変態していることが判る。
一方、実験例5では、引張試験による塑性変形による、FCC相からHCP相への相変態がほとんど見られないことが判る。
実験例5による金属材料は上述のように微細粒組織領域を有しておらず、実験例6〜8による金属材料は微細粒組織領域を有していることから、微細粒組織領域を構成しているFCC相がHCP相に変態していることが推察される。
From the above results, it can be seen that in Experimental Examples 6 to 8, the FCC phase is transformed into the HCP phase due to plastic deformation by the tensile test.
On the other hand, in Experimental Example 5, it can be seen that almost no phase transformation from the FCC phase to the HCP phase is observed due to plastic deformation by the tensile test.
The metal material according to Experimental Example 5 does not have the fine grain structure region as described above, and the metal materials according to Experimental Examples 6 to 8 have the fine grain structure region. It is inferred that the FCC phase that has been transformed into the HCP phase.

上記の結果から、実験例6や7による金属材料は、FCC相からHCP相への相変態が生じることで、引張強度や延性といった機械的特性が実験例5と比較して向上していると言える。
つまり、上記の結果から、FCC相からHCP相への相変態は、引張強度や延性といった機械的特性に影響を与えること、及び、網目状組織とされた微細粒組織領域を有していることによって、相変態による機械的特性に影響が大きくなることが判る。
From the above results, the metal materials according to Experimental Examples 6 and 7 are improved in mechanical properties such as tensile strength and ductility as compared with Experimental Example 5 due to the phase transformation from the FCC phase to the HCP phase. I can say that.
That is, from the above results, the phase transformation from the FCC phase to the HCP phase has an influence on the mechanical properties such as tensile strength and ductility, and has a fine grain structure region that is a network structure. Thus, it can be seen that the mechanical properties due to the phase transformation are greatly affected.

〔オーステナイト系ステンレス鋼について〕
次に、オーステナイト系ステンレス鋼からなる粉末材料を焼結することによって金属材料を製造した際の実験例について説明する。
(実験例9〜11)
粉末粒子として、回転電極法によって製造された18Cr−8Niのステンレス鋼(JIS SUS304L相当)の粉末(平均粒子径120μm)を用いた。
このステンレス鋼の粉末粒子の化学成分は、下記表2の通りであり、用いた粉末粒子は、実質的に単一の合金からなるものであることが確認できる。
[About austenitic stainless steel]
Next, experimental examples when a metal material is manufactured by sintering a powder material made of austenitic stainless steel will be described.
(Experimental Examples 9 to 11)
As the powder particles, 18Cr-8Ni stainless steel (equivalent to JIS SUS304L) powder (average particle size 120 μm) produced by the rotating electrode method was used.
The chemical components of the stainless steel powder particles are as shown in Table 2 below, and it can be confirmed that the used powder particles are substantially composed of a single alloy.

上記ステンレス鋼からなる粉末粒子を、ステンレス鋼製ボール(JIS SUS304相当、平均粒子径5mm)とともに、遊星型ボールミル装置の容器内に投入した。処理条件を、アルゴン雰囲気、室温、ボール:粉末粒子=2:1(質量比率)、回転速度200rpm、処理時間0ks(実験例9)、180ks(実験例10)、360ks(実験例11)とし、ステンレス鋼の粉末粒子に対して、メカニカルミリング処理を行い、中間粒子を得た。   The powder particles made of stainless steel were put into a container of a planetary ball mill apparatus together with a stainless steel ball (equivalent to JIS SUS304, average particle diameter of 5 mm). The treatment conditions are argon atmosphere, room temperature, ball: powder particles = 2: 1 (mass ratio), rotation speed 200 rpm, treatment time 0 ks (experimental example 9), 180 ks (experimental example 10), 360 ks (experimental example 11), Mechanical milling was performed on the stainless steel powder particles to obtain intermediate particles.

(試験例8)
実験例9,10で得られた中間粒子の外観をSEMで観察した。
図21は、試験例8による中間粒子の観察結果を示す図であり、(a)は、実験例9で得られた中間粒子の観察結果、(b)は、実験例10で得られた中間粒子の観察結果である。
(Test Example 8)
The appearance of the intermediate particles obtained in Experimental Examples 9 and 10 was observed by SEM.
FIG. 21 is a diagram showing the observation results of the intermediate particles according to Test Example 8, wherein (a) shows the observation results of the intermediate particles obtained in Experimental Example 9, and (b) shows the intermediate results obtained in Experimental Example 10. It is an observation result of particles.

両者を比較すると、メカニカルミリング処理によって、中間粒子の粒子径が極端に減少するといった様子は見られない。
図21(a)に示すように、メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例9)の粒子表面には、微細な規則的な模様が多数見られるが、図21(b)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後のもの(実験例10)の粒子表面は、梨地状となっており、メカニカルミリング処理によって、表面全体に亘って強加工が施されていることが確認できる。
When both are compared, it is not seen that the particle size of the intermediate particles is extremely reduced by the mechanical milling treatment.
As shown in FIG. 21 (a), many fine regular patterns are observed on the surface of the particles not subjected to mechanical milling (treatment time 0 ks: Experimental Example 9). As shown in FIG. 4, the particle surface after the mechanical milling process (Experimental Example 10) is a satin finish, and the entire surface is subjected to strong processing by the mechanical milling process. I can confirm.

(試験例9)
実験例9,10で得られた中間粒子の断面をSEMで観察した。実験例9,10で得られた中間粒子を樹脂に埋包後、耐水ペーパー等によって前記樹脂を研磨して中間粒子の断面を得た。
図22は、試験例9による中間粒子の断面観察結果を示す図であり、(a)は、実験例9で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(b)は、(a)の表面部分の拡大観察結果、(c)は、実験例10で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(d)は、(c)の表面部分の拡大観察結果である。
(Test Example 9)
The cross section of the intermediate particles obtained in Experimental Examples 9 and 10 was observed with SEM. After embedding the intermediate particles obtained in Experimental Examples 9 and 10 in a resin, the resin was polished with water-resistant paper or the like to obtain a cross-section of the intermediate particles.
FIG. 22 is a diagram showing the cross-sectional observation result of the intermediate particle according to Test Example 9, (a) is the observation result of the entire cross-section of the intermediate particle obtained in Experimental Example 9, and (b) is the result of (a). The enlarged observation result of the surface part, (c) is the observation result of the entire cross section of the intermediate particle obtained in Experimental Example 10, and (d) is the enlarged observation result of the surface part of (c).

図22(a)を見ると、メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例9)は、表面形状が滑らかな円状となっている。
また、図22(b)に示すように、メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例9)は、表面から深さ方向に10〜15μm程度までの範囲で、中心部よりも微細な組織となっている。
As shown in FIG. 22 (a), the one not subjected to the mechanical milling process (processing time 0 ks: Experimental Example 9) has a circular shape with a smooth surface shape.
Moreover, as shown in FIG.22 (b), the thing which is not performing the mechanical milling process (processing time 0ks: Experimental example 9) is a range from the surface to a depth direction of about 10-15 micrometers from center part. It has a fine structure.

図22(c)を見ると、メカニカルミリング処理を行った後のもの(実験例10)は、メカニカルミリング処理を行っていないものと比較して表面形状に変形が見られ、メカニカルミリング処理によって、表面に強加工が施されていることが確認できる。
図22(d)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後のものは、表面から深さ方向に5μm程度までの範囲で、中心部とは異なる微細組織が表面側に一様に現れていることが確認できる。
この図22(d)において、中心部とは異なる微細組織として表面側に現れている部分の断面硬さを測定したところ、483HVであり、中心部の断面硬さを測定したところ、396HVであった。
オーステナイト系ステンレス鋼は、常温においては準安定相であるFCC相(オーステナイト相:γ相)であることから、図22(d)の表面側にあらわれている中心部とは異なる微細組織は、加工誘起マルテンサイト、つまり、安定相であるBCC相(α’相)であることが推察される。
なお、中心部は、準安定相であるFCC相であることが推察される。
Looking at FIG. 22 (c), the one after the mechanical milling process (Experimental Example 10) shows a deformation in the surface shape as compared with the one not subjected to the mechanical milling process. It can be confirmed that the surface is strongly processed.
As shown in FIG. 22 (d), after the mechanical milling process, a fine structure different from the central portion appears uniformly on the surface side in a range from the surface to about 5 μm in the depth direction. It can be confirmed.
In FIG. 22D, the cross-sectional hardness of the portion appearing on the surface side as a fine structure different from that of the central portion is measured to be 483 HV, and the cross-sectional hardness of the central portion is measured to be 396 HV. It was.
Since the austenitic stainless steel is an FCC phase (austenite phase: γ phase) which is a metastable phase at room temperature, a microstructure different from the central portion appearing on the surface side in FIG. It is inferred that it is an induced martensite, that is, a BCC phase (α ′ phase) which is a stable phase.
In addition, it is guessed that a center part is the FCC phase which is a metastable phase.

(実験例12)
実験例9で得られた中間粒子を、真空下(0.1MPa>)で、所定の温度条件及び圧力条件で焼結し、厚さ2.5〜5.5mm、直径15mmの円板状の焼結体(金属材料)を得た。
焼結に用いた金型及び装置は、実験例5と同様である。
(Experimental example 12)
The intermediate particles obtained in Experimental Example 9 were sintered under vacuum (0.1 MPa>) under predetermined temperature conditions and pressure conditions, and were disk-shaped having a thickness of 2.5 to 5.5 mm and a diameter of 15 mm. A sintered body (metal material) was obtained.
The mold and apparatus used for sintering are the same as in Experimental Example 5.

図23は、実験例12における温度条件及び圧力条件を示す図である。図に示すように、温度条件は、昇温速度1.17K/sで昇温させ保持温度Tが1173K、保持時間Hが3.6ksとなるように保持し、その後、降温速度1.1K/sで冷却降温するように設定した。また、圧力条件は、上記温度条件において1173Kに到達するときに保持圧力Pが50MPaとなるように昇圧して、保持時間Hの間、50MPaを維持し、その後、降圧速度1.7MPa/sで降圧するように設定した。   FIG. 23 is a diagram illustrating temperature conditions and pressure conditions in Experimental Example 12. As shown in the figure, the temperature condition is that the temperature is raised at a rate of temperature increase of 1.17 K / s and held so that the holding temperature T is 1173 K and the holding time H is 3.6 ks. The temperature was set to cool down at s. Further, the pressure condition is increased so that the holding pressure P becomes 50 MPa when reaching 1173 K under the above temperature condition, and is maintained at 50 MPa during the holding time H, and then the pressure reduction rate is 1.7 MPa / s. It was set to step down.

(実験例13,14)
実験例10で得られた中間粒子を用いて実験例12と同様の操作を行い、円板状の焼結体を得た(実験例13)。同様に、実験例11で得られた中間粒子を用いて実験例12と同様の操作を行い、円板状の焼結体を得た(実験例14)。
(Experimental Examples 13 and 14)
Using the intermediate particles obtained in Experimental Example 10, the same operation as in Experimental Example 12 was performed to obtain a disk-shaped sintered body (Experimental Example 13). Similarly, the same operations as in Experimental Example 12 were performed using the intermediate particles obtained in Experimental Example 11 to obtain a disk-shaped sintered body (Experimental Example 14).

(試験例10)
実験例12〜14で得られた金属材料を切断し試験片を得て、SEMが備えるEBSD検出器を用いて各金属材料における結晶粒の観察を行った。
(Test Example 10)
The metal materials obtained in Experimental Examples 12 to 14 were cut to obtain test pieces, and the crystal grains in each metal material were observed using an EBSD detector provided in the SEM.

図24は、試験例10による各金属材料における結晶粒界マップを示す図であり、(a)は、実験例12で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、実験例13で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(c)は、実験例14で得られた金属材料の結晶粒界マップである。なお、図中、スケールバーは100μmを示している。   FIG. 24 is a diagram showing a crystal grain boundary map in each metal material according to Test Example 10, where (a) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 12, and (b) is Experimental Example 13. (C) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 14. FIG. In the figure, the scale bar indicates 100 μm.

図24(a)に示すように、メカニカルミリング処理を行わずに焼結したもの(実験例12)の断面組織では、比較的粗大な結晶粒(粗大結晶粒)によって構成されており、図24(b),(c)で見られる微細な結晶粒は見られない。
このようにメカニカルミリング処理を行わずに焼結した実験例12に係る金属材料は、網目状組織とされた微細粒組織領域を有していない。
As shown in FIG. 24A, the cross-sectional structure of the sintered product (Experimental Example 12) that was sintered without performing the mechanical milling process is composed of relatively coarse crystal grains (coarse crystal grains). The fine crystal grains seen in (b) and (c) are not seen.
Thus, the metal material which concerns on Experimental example 12 sintered without performing a mechanical milling process does not have the fine grain structure area | region made into the network structure.

図24(b),(c)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後に焼結したもの(実験例13,14)の断面組織では、微細結晶粒によって構成されている微細粒組織領域を含むとともに、粗大結晶粒によって構成されている粗大粒組織領域を複数含んでいる。
複数の粗大粒組織領域は、微細粒組織領域内に分散点在しており、微細粒組織領域が、網目状組織となっていることが判る。
As shown in FIGS. 24B and 24C, in the cross-sectional structure of the sintered product after performing the mechanical milling process (Experimental Examples 13 and 14), a fine grain structure region constituted by fine crystal grains is shown. And a plurality of coarse grain structure regions composed of coarse crystal grains.
It can be seen that the plurality of coarse grain structure regions are dispersed in the fine grain structure region, and the fine grain structure region has a network structure.

また、図24(b),(c)を見ると、メカニカルミリング処理の処理時間が長い方が、粗大粒組織領域の大きさが小さくなり、粗大粒組織領域の占める面積が小さくなっていることが判る。
上記結果から、メカニカルミリング処理の処理時間を調整することによって、微細粒組織領域の占める割合と、粗大粒組織領域の占める割合とを調整できることが判る。
24B and 24C, the longer the mechanical milling time, the smaller the size of the coarse grain structure region, and the smaller the area occupied by the coarse grain structure region. I understand.
From the above results, it can be seen that the ratio of the fine grain structure region and the ratio of the coarse grain structure region can be adjusted by adjusting the processing time of the mechanical milling process.

(試験例11)
試験例10で得た結晶粒界マップの画像データを画像解析ソフトを用いて処理し、実験例12〜14で得られた金属材料それぞれの微細粒組織領域の断面面積率を求めた。また、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の平均結晶粒径、及び粗大粒組織領域を構成している粗大結晶粒の平均結晶粒径を求めた。
(Test Example 11)
The image data of the crystal grain boundary map obtained in Test Example 10 was processed using image analysis software, and the cross-sectional area ratio of each of the fine grain structure regions of the metal materials obtained in Experimental Examples 12 to 14 was obtained. Further, the average crystal grain size of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region and the average crystal grain size of the coarse crystal grains constituting the coarse grain structure region were determined.

図25(a)は、微細粒組織領域の断面面積率と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフである。
図中、実験例13の微細粒組織領域の断面面積率は、21%、実験例14の微細粒組織領域の断面面積率は、41%であった。
このように、メカニカルミリング処理の処理時間が長ければ長いほど微細粒組織領域の断面面積率が高くなっていることが確認することができる。
FIG. 25A is a graph showing the relationship between the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region and the processing time of the mechanical milling process.
In the figure, the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region of Experimental Example 13 was 21%, and the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region of Experimental Example 14 was 41%.
Thus, it can be confirmed that the longer the processing time of the mechanical milling process, the higher the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region.

図25(b)は、微細粒組織領域及び粗大粒組織領域を構成する結晶粒の平均結晶粒径と、メカニカルミリング処理の処理時間との関係を示すグラフである。
図中、実験例12の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、19.7μm、実験例13の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、16.9μm、実験例14の粗大結晶粒の平均結晶粒径は、17.6μmであり、粗大粒組織領域を構成する粗大結晶粒は、メカニカルミリング処理の処理時間に応じてやや小さくなっていることが判る。
一方、微細粒組織領域を構成する微細結晶粒の平均結晶粒径は、実験例13が2.0μm、実験例14が1.5μmであり、両者で大きな差がないことが判る。
FIG. 25B is a graph showing the relationship between the average crystal grain size of the crystal grains constituting the fine grain structure region and the coarse grain structure region and the processing time of the mechanical milling process.
In the figure, the average crystal grain size of the coarse crystal grain of Experimental Example 12 is 19.7 μm, the average crystal grain size of the coarse crystal grain of Experimental Example 13 is 16.9 μm, and the average crystal grain of the coarse crystal grain of Experimental Example 14 A diameter is 17.6 micrometers and it turns out that the coarse crystal grain which comprises a coarse-grain structure area | region has become small a little according to the processing time of a mechanical milling process.
On the other hand, the average crystal grain size of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region is 2.0 μm in Experimental Example 13 and 1.5 μm in Experimental Example 14, and it can be seen that there is no significant difference between the two.

実験例12〜14において用いたステンレス鋼は、SUS304相当であり、固溶化熱処理の温度がJIS G4303によると1283〜1423Kであり、保持温度Tである1173Kでは、オーステナイト単相領域であると考えられる。
よって、図23に示す温度条件によって焼結が行われると、α相領域からγ相(オーステナイト相)領域に到達し、保持温度Tに至ることとなる。
The stainless steel used in Experimental Examples 12 to 14 is equivalent to SUS304, the temperature of the solution heat treatment is 1283 to 1423K according to JIS G4303, and the holding temperature T of 1173K is considered to be an austenite single phase region. .
Therefore, when sintering is performed under the temperature condition shown in FIG. 23, the α phase region reaches the γ phase (austenite phase) region, and the holding temperature T is reached.

よって、実験例13,14では、粉末粒子の表面の準安定相であるFCC相を、メカニカルミリング処理によって加工誘起マルテンサイト変態させ安定相であるBCC相(α’相)に変態させることで、粉末粒子の表面に実質的にBCC相(α’相)の単相とされた微細粒組織領域を形成するものであり、焼結において、BCC相(α相)からFCC相(γ相)に変態する変態開始温度を通過するように昇温することで、メカニカルミリング処理によってBCC相(α’相)とされている微細粒組織領域に、FCC相(γ相)の結晶粒を析出させる。これによって、微細粒組織領域がさらに微細な結晶粒からなる金属組織となる。   Therefore, in Experimental Examples 13 and 14, the FCC phase, which is a metastable phase on the surface of powder particles, is transformed into a BCC phase (α ′ phase), which is a stable phase, by mechanically milling to transform it into a work-induced martensite, It forms a fine-grained texture region that is essentially a single phase of the BCC phase (α ′ phase) on the surface of the powder particles. In sintering, the BCC phase (α phase) changes to the FCC phase (γ phase). By raising the temperature so as to pass the transformation start temperature for transformation, crystal grains of the FCC phase (γ phase) are precipitated in the fine grain structure region that has been made into the BCC phase (α ′ phase) by mechanical milling treatment. Thereby, the fine grain structure region becomes a metal structure composed of finer crystal grains.

これにより、その後より高温の保持温度Tで保持されたとしても、図24(b),(c)に示すように、微細粒組織領域を構成する微細結晶粒の平均結晶粒径は、約1.5〜2.0μmとなっており、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の粗大化が抑制されている。   As a result, even if it is held at a higher holding temperature T after that, as shown in FIGS. 24B and 24C, the average crystal grain size of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region is about 1 The coarsening of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region is suppressed.

また、微細粒組織領域がメカニカルミリング処理によってBCC相の単相とされているので、焼結における昇温によって、FCC相の結晶粒を微細粒組織領域に均一に析出させることができ、微細粒組織領域が均一に微細化される。この結果、微細粒組織領域における結晶粒の粗大化が偏りなく均一に抑制されている。   In addition, since the fine grain structure region is made into a single phase of the BCC phase by mechanical milling treatment, the FCC phase crystal grains can be uniformly precipitated in the fine grain structure region by increasing the temperature during sintering. The tissue region is uniformly refined. As a result, the coarsening of crystal grains in the fine grain structure region is uniformly suppressed without unevenness.

(試験例12)
万能試験機を用いて、実験例12〜14で得られた金属材料それぞれについて、破断に至るまで引張試験を行った。
(Test Example 12)
Using a universal testing machine, each of the metal materials obtained in Experimental Examples 12 to 14 was subjected to a tensile test until breaking.

図26は、試験例12による引張試験によって得られた引張強度と、破断伸びとの関係を示す図である。   FIG. 26 is a diagram showing the relationship between the tensile strength obtained by the tensile test in Test Example 12 and the elongation at break.

図中、メカニカルミリング処理を行わずに焼結した金属材料(実験例12)は、引張強度が約570MPa、破断伸びが約60%と、他の実験例と比較して、引張強度及び破断伸びが共に最も低い値である。   In the figure, the metal material sintered without mechanical milling (Experimental Example 12) has a tensile strength of about 570 MPa and a breaking elongation of about 60%, which is higher than the other experimental examples. Are the lowest values.

メカニカルミリング処理を180ks行った後に焼結した金属材料(実験例13)は、引張強度が約670MPaと、実験例12と比較して高くなっている。また、破断伸びは、約80%とこれも実験例12と比較して高くなっている。   The metal material (Experimental Example 13) sintered after performing the mechanical milling process for 180 ks has a tensile strength of about 670 MPa, which is higher than that of Experimental Example 12. The elongation at break is about 80%, which is also higher than that of Experimental Example 12.

メカニカルミリング処理を360ks行った後に焼結した金属材料(実験例14)は、破断伸びは、80%と実験例13と同等であるが、引張強度が約740MPaと、実験例13と比較してさらに高くなっていることが判る。   The metal material sintered after the mechanical milling process of 360 ks (Experimental Example 14) has an elongation at break of 80%, which is equivalent to Experimental Example 13, but has a tensile strength of about 740 MPa, compared with Experimental Example 13. It can be seen that it is even higher.

このように、粉末粒子にメカニカルミリング処理を行って焼結することで、金属組織が網目状組織の微細粒組織領域と、網目内部に配置された粗大粒組織領域とで構成されている実験例13及び14による金属材料では、網目状組織の微細粒組織領域を有していない実験例12の金属材料と比較して、強度を高めつつ延性も維持できることが確認できる。   In this way, by conducting a mechanical milling process on the powder particles and sintering, the metal structure is composed of a fine-grain structure region of a network structure and a coarse-grain structure region arranged inside the network. It can be confirmed that the metal materials according to Nos. 13 and 14 can maintain the ductility while increasing the strength as compared with the metal material of Experimental Example 12 which does not have the fine grain structure region of the network structure.

〔Ti−6Al−4V合金について〕
次に、Ti−6Al−4V合金からなる粉末材料を焼結することによって金属材料を製造した際の実験例について説明する。
(実験例15,16)
粉末粒子として、回転電極法によって製造されたTi−6Al−4V合金(JIS60種相当)の粉末(平均粒子径210μm)を用いた。
[Ti-6Al-4V alloy]
Next, an experimental example when a metal material is manufactured by sintering a powder material made of a Ti-6Al-4V alloy will be described.
(Experimental Examples 15 and 16)
As powder particles, powder of Ti-6Al-4V alloy (corresponding to JIS 60 type) manufactured by the rotating electrode method (average particle size 210 μm) was used.

上記Ti−6Al−4V合金からなる粉末粒子を、鋼製ボール(JIS SUJ2相当、平均粒子径9.5mm)とともに、遊星型ボールミル装置の容器内に投入した。処理条件を、アルゴン雰囲気、室温、ボール:粉末粒子=2:1(質量比率)、回転速度200rpm、処理時間0ks(実験例15)、90ks(実験例16)とし、Ti−6Al−4V合金の粉末粒子に対して、メカニカルミリング処理を行い、中間粒子を得た。   The powder particles made of the Ti-6Al-4V alloy were put into a container of a planetary ball mill apparatus together with a steel ball (equivalent to JIS SUJ2 and an average particle diameter of 9.5 mm). The treatment conditions were argon atmosphere, room temperature, ball: powder particles = 2: 1 (mass ratio), rotation speed 200 rpm, treatment time 0 ks (Experimental Example 15), 90 ks (Experimental Example 16), and Ti-6Al-4V alloy The powder particles were subjected to mechanical milling to obtain intermediate particles.

(試験例13)
実験例15,16で得られた中間粒子の外観をSEMで観察した。
図27は、試験例13による中間粒子の観察結果を示す図であり、(a)は、実験例15で得られた中間粒子の観察結果、(b)は、実験例16で得られた中間粒子の観察結果である。
(Test Example 13)
The appearance of the intermediate particles obtained in Experimental Examples 15 and 16 was observed by SEM.
27 is a diagram showing the observation results of the intermediate particles in Test Example 13, where (a) shows the observation results of the intermediate particles obtained in Experimental Example 15, and (b) shows the intermediate results obtained in Experimental Example 16. FIG. It is an observation result of particles.

両者を比較すると、メカニカルミリング処理によって、中間粒子の粒子径が極端に減少するといった様子は見られない。
図27(a)に示すように、メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例15)の粒子表面は、非常に滑らかであるが、図27(b)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後のもの(実験例16)の粒子表面は、凹凸が見られ、メカニカルミリング処理によって、表面全体に亘って強加工が施されていることが確認できる。
When both are compared, it is not seen that the particle size of the intermediate particles is extremely reduced by the mechanical milling treatment.
As shown in FIG. 27A, the particle surface of the sample not subjected to the mechanical milling process (processing time 0 ks: Experimental Example 15) is very smooth. However, as shown in FIG. The surface of the particles after the milling process (Experimental Example 16) has irregularities, and it can be confirmed that the entire surface is subjected to strong processing by the mechanical milling process.

(試験例14)
実験例15,16で得られた中間粒子の断面をSEMで観察した。実験例15,16で得られた中間粒子を樹脂に埋包後、耐水ペーパー等によって前記樹脂を研磨して中間粒子の断面を得た。
図28は、試験例14による中間粒子の断面観察結果を示す図であり、(a)は、実験例15で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(b)は、実験例16で得られた中間粒子の断面全体の観察結果、(c)は、(b)の表面部分の拡大観察結果である。
(Test Example 14)
The cross section of the intermediate particles obtained in Experimental Examples 15 and 16 was observed with SEM. After embedding the intermediate particles obtained in Experimental Examples 15 and 16 in a resin, the resin was polished with water-resistant paper or the like to obtain a cross section of the intermediate particles.
FIG. 28 is a diagram showing the cross-sectional observation result of the intermediate particle according to Test Example 14, where (a) is the observation result of the entire cross-section of the intermediate particle obtained in Experimental Example 15, and (b) is the Experimental Example 16. The observation result of the whole cross section of the obtained intermediate particle, (c) is an enlarged observation result of the surface portion of (b).

図28(a)を見ると、メカニカルミリング処理を行っていないもの(処理時間0ks:実験例15)は、表面形状が滑らかな円状となっている。   As shown in FIG. 28 (a), the one not subjected to the mechanical milling process (processing time 0 ks: Experimental Example 15) has a circular shape with a smooth surface shape.

図28(b)を見ると、メカニカルミリング処理を行った後のもの(実験例16)は、メカニカルミリング処理を行っていないものと比較して表面形状に変形が見られ、メカニカルミリング処理によって、表面に強加工が施されていることが確認できる。
図28(c)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後のものは、中心部が針状組織となっており、表面から深さ方向に20〜40μm程度までの範囲で、中心部とは異なる微細組織が表面側に一様に現れていることが確認できる。
この図28(c)において、中心部とは異なる微細組織として表面側に現れている部分の断面硬さを測定したところ、397HVであり、中心部の断面硬さを測定したところ、369HVであった。
Looking at FIG. 28 (b), the one after the mechanical milling process (Experimental Example 16) shows a deformation in the surface shape as compared with the one not subjected to the mechanical milling process. It can be confirmed that the surface is strongly processed.
As shown in FIG. 28 (c), after the mechanical milling process, the center part has a needle-like structure, and in the range from about 20 to 40 μm in the depth direction from the surface, It can be confirmed that different microstructures appear uniformly on the surface side.
In FIG. 28 (c), the cross-sectional hardness of the portion appearing on the surface side as a fine structure different from the central portion was measured to be 397 HV, and the cross-sectional hardness of the central portion was measured to be 369 HV. It was.

Ti−6Al−4V合金は、常温においては安定相であるHCP相であることから、図28(c)において、表面側にあらわれている中心部とは異なる微細組織と、中心部の針状組織とは、共にHCP相であることが推察される。   Since the Ti-6Al-4V alloy is an HCP phase that is a stable phase at room temperature, in FIG. 28C, a fine structure different from the central part appearing on the surface side, and a needle-like structure in the central part It is inferred that both are HCP phases.

(実験例17)
実験例15で得られた中間粒子を、アルゴン雰囲気下で、所定の温度条件及び圧力条件で焼結し、厚さ2.5〜5.5mm、直径15mmの円板状の焼結体(金属材料)を得た。
焼結に用いた金型及び装置は、実験例5と同様である。
(Experimental example 17)
The intermediate particles obtained in Experimental Example 15 were sintered under a predetermined temperature condition and pressure condition in an argon atmosphere, and a disc-shaped sintered body (metal) having a thickness of 2.5 to 5.5 mm and a diameter of 15 mm. Material).
The mold and apparatus used for sintering are the same as in Experimental Example 5.

図29は、実験例17による温度条件及び圧力条件を示す図である。図に示すように、温度条件は、昇温速度1.67K/sで昇温させ保持温度Tが1173K、保持時間Hが5.4ksとなるように保持し、その後、降温速度1.1K/sで冷却降温するように設定した。また、圧力条件は、上記温度条件において1173Kに到達するときに保持圧力Pが200MPaとなるように昇圧して、保持時間Hの間、200MPaを維持し、その後、降圧速度1.7MPa/sで降圧するように設定した。   FIG. 29 is a diagram illustrating temperature conditions and pressure conditions according to Experimental Example 17. As shown in the figure, the temperature condition is that the temperature is raised at a rate of temperature increase of 1.67 K / s and held so that the holding temperature T is 1173 K and the holding time H is 5.4 ks. The temperature was set to cool down at s. Further, the pressure condition is increased so that the holding pressure P becomes 200 MPa when reaching 1173 K under the above temperature condition, and is maintained at 200 MPa during the holding time H, and then the pressure reduction rate is 1.7 MPa / s. It was set to step down.

(実験例18)
実験例16で得られた中間粒子を用いて実験例17と同様の操作を行い、円板状の焼結体を得た(実験例18)。
(Experiment 18)
Using the intermediate particles obtained in Experimental Example 16, the same operation as in Experimental Example 17 was performed to obtain a disk-shaped sintered body (Experimental Example 18).

(試験例15)
実験例17,18で得られた金属材料を切断し試験片を得て、SEMが備えるEBSD検出器を用いて各金属材料における結晶粒の観察を行った。
(Test Example 15)
The metal materials obtained in Experimental Examples 17 and 18 were cut to obtain test pieces, and the crystal grains in each metal material were observed using an EBSD detector provided in the SEM.

図30は、試験例15による各金属材料における結晶粒界マップを示す図であり、(a)は、実験例17で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、実験例18で得られた金属材料の結晶粒界マップである。なお、図中、スケールバーは20μmを示している。   FIG. 30 is a diagram showing a crystal grain boundary map in each metal material according to Test Example 15, where (a) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 17, and (b) is Experimental Example 18. It is a crystal grain boundary map of the metal material obtained by (1). In the figure, the scale bar indicates 20 μm.

図30(a)に示すように、メカニカルミリング処理を行わずに焼結したもの(実験例17)の断面組織では、比較的粗大な針状結晶組織によって構成されており、図30(b)で見られる微細な結晶粒は見られない。
このようにメカニカルミリング処理を行わずに焼結した実験例17に係る金属材料は、網目状組織とされた微細粒組織領域を有していない。
As shown in FIG. 30 (a), the cross-sectional structure of the sintered product (Experimental Example 17) that has been sintered without performing the mechanical milling process is constituted by a relatively coarse acicular crystal structure. The fine crystal grain seen in is not seen.
Thus, the metal material which concerns on the experiment example 17 sintered without performing a mechanical milling process does not have the fine grain structure area | region made into the network structure.

図30(b)に示すように、メカニカルミリング処理を行った後に焼結したもの(実験例18)の断面組織では、微細結晶粒によって構成されている微細粒組織領域を含むとともに、針状の粗大結晶粒によって構成されている粗大粒組織領域を複数含んでいる。
複数の粗大粒組織領域は、微細粒組織領域内に分散点在しており、微細粒組織領域が、網目状組織となっていることが判る。
なお、実験例18において微細粒組織領域の断面面積率は、57%であった。
また、実験例18において微細粒組織領域を構成する微細結晶粒の平均結晶粒径は、3.7μmであった。
As shown in FIG. 30 (b), the cross-sectional structure of the sintered product after the mechanical milling process (Experimental Example 18) includes a fine grain structure region composed of fine crystal grains, and has a needle-like shape. A plurality of coarse grain structure regions constituted by coarse crystal grains are included.
It can be seen that the plurality of coarse grain structure regions are dispersed in the fine grain structure region, and the fine grain structure region has a network structure.
In Experimental Example 18, the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region was 57%.
In Experimental Example 18, the average crystal grain size of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region was 3.7 μm.

この実験例18において用いたTi−6Al−4V合金は、上述のように、約1200Kで、常温で安定相であるHCP相から、常温で準安定相であるBCC相に固相変態を開始する。
よって、図29に示す温度条件によって焼結が行われると、HCP相からBCC相に変態する変態開始温度を通過するように昇温される。これにより、HCP相の結晶粒からなる微細粒組織領域に、BCC相の結晶粒が析出する。これによって、微細粒組織領域がさらに微細な結晶粒からなる金属組織となる。
As described above, the Ti-6Al-4V alloy used in Experimental Example 18 starts solid phase transformation from an HCP phase that is a stable phase at room temperature to a BCC phase that is a metastable phase at room temperature at about 1200 K. .
Therefore, when sintering is performed under the temperature condition shown in FIG. 29, the temperature is raised so as to pass the transformation start temperature at which transformation from the HCP phase to the BCC phase occurs. As a result, BCC phase crystal grains are deposited in a fine grain structure region composed of HCP phase crystal grains. Thereby, the fine grain structure region becomes a metal structure composed of finer crystal grains.

この結果、図30(b)に示すように、微細粒組織領域を構成する微細結晶粒の平均結晶粒径は、上述のように3.7μmとなっており、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の粗大化が抑制されている。   As a result, as shown in FIG. 30 (b), the average crystal grain size of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region is 3.7 μm as described above. The coarsening of the fine crystal grains is suppressed.

(試験例16)
万能試験機を用いて、実験例17,18で得られた金属材料それぞれについて、破断に至るまで引張試験を行った。
(Test Example 16)
Using a universal testing machine, each of the metal materials obtained in Experimental Examples 17 and 18 was subjected to a tensile test until breaking.

図31は、試験例16による引張試験によって得られた引張強度と、破断伸びとの関係を示す図である。   FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the tensile strength obtained by the tensile test in Test Example 16 and the elongation at break.

図中、メカニカルミリング処理を行わずに焼結した金属材料(実験例17)は、引張強度が934MPa、破断伸びが18.7%であった。
これに対し、メカニカルミリング処理を90ks行った後に焼結した金属材料(実験例18)は、引張強度が1043MPaと、実験例17と比較して高くなっている。また、破断伸びは、22.6%とこれも実験例17と比較して高くなっている。
In the figure, the metal material sintered without mechanical milling (Experimental Example 17) had a tensile strength of 934 MPa and an elongation at break of 18.7%.
On the other hand, the metal material (Experimental Example 18) sintered after performing the mechanical milling process for 90 ks has a tensile strength of 1043 MPa, which is higher than that of Experimental Example 17. The elongation at break is 22.6%, which is also higher than that of Experimental Example 17.

このように、粉末粒子にメカニカルミリング処理を行って焼結することで、金属組織が網目状組織の微細粒組織領域と、網目内部に配置された粗大粒組織領域とで構成されている実験例17及び18による金属材料では、網目状組織の微細粒組織領域を有していない実験例12の金属材料と比較して、強度を高めつつ延性も維持できることが確認できる。   In this way, by conducting a mechanical milling process on the powder particles and sintering, the metal structure is composed of a fine-grain structure region of a network structure and a coarse-grain structure region arranged inside the network. It can be confirmed that the metal materials according to 17 and 18 can maintain the ductility while increasing the strength as compared with the metal material of Experimental Example 12 which does not have the fine grain region of the network structure.

〔微細粒組織領域について〕
以下に、微細粒組織領域の詳細についてさらに検証した結果について説明する。
(試験例17)
試験例3において得た、実験例6による金属材料試験片について、EBSD検出器を用い、試験片断面における相分布の観察を行った。
[Regarding the region of fine grain structure]
Below, the result of having further verified about the detail of the fine grain structure area | region is demonstrated.
(Test Example 17)
About the metal-material test piece by Experimental Example 6 obtained in Test Example 3, the phase distribution in the cross section of the test piece was observed using an EBSD detector.

図32は、試験例17による観察結果を示す図であり、(a)は、実験例6で得られた金属材料の結晶粒界マップ、(b)は、(a)と同じ部分の相分布を示す図である。なお、図32(b)では、薄い灰色の領域がFCC相、濃い灰色の領域がHCP相を示している。また、図中、スケールバーは100μmを示している。   FIG. 32 is a diagram showing the observation results of Test Example 17, where (a) is a crystal grain boundary map of the metal material obtained in Experimental Example 6, and (b) is the phase distribution of the same part as (a). FIG. In FIG. 32B, the light gray area indicates the FCC phase and the dark gray area indicates the HCP phase. In the figure, the scale bar indicates 100 μm.

図32(a)、(b)に示すように、粗大粒組織領域を構成している粗大結晶粒は、FCC相であり、粗大結晶粒同士の粒界に微小なHCP相が見られるが、粗大粒組織領域は、ほぼFCC相で構成されていることが判る。   As shown in FIGS. 32 (a) and 32 (b), the coarse crystal grains constituting the coarse grain structure region are FCC phases, and a fine HCP phase is seen at the grain boundary between the coarse crystal grains. It can be seen that the coarse grain structure region is almost composed of the FCC phase.

一方、微細粒組織領域は、FCC相と、HCP相とを含んだ2相組織となっていることが確認できる。つまり、微細粒組織領域を構成している微細結晶粒は、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒(FCC相の結晶粒及びHCP相の結晶粒)を含んでいる。なおこの結果は、試験例7における実験例6の試験片のX線回折パターンの結果とも一致している。
微細粒組織領域におけるHCP相の結晶粒は、数μm程度の微細なものがほとんどで、10μm程度の比較的大きな粒もわずかに見られる。
On the other hand, it can be confirmed that the fine grain structure region has a two-phase structure including the FCC phase and the HCP phase. That is, the fine crystal grains constituting the fine grain structure region include two types of crystal grains (FCC phase crystal grains and HCP phase crystal grains) having different crystal structures. This result is consistent with the result of the X-ray diffraction pattern of the test piece of Experimental Example 6 in Test Example 7.
Most of the HCP phase crystal grains in the fine grain structure region are as fine as several μm, and relatively large grains as small as 10 μm are also seen.

また、実験例6におけるHCP相の断面面積率を求めたところ、23.0%であった。
試験例4の結果では、実験例6の微細粒組織領域の断面面積率は、57.3%であったので、HCP相の結晶粒は、微細粒組織領域の断面面積率に対して40.1%の割合で含まれていることが確認できる。
Moreover, when the cross-sectional area ratio of the HCP phase in Experimental Example 6 was determined, it was 23.0%.
In the result of Test Example 4, the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region of Experimental Example 6 was 57.3%, so that the crystal grain of the HCP phase was 40.3% with respect to the cross-sectional area ratio of the fine grain structure region. It can be confirmed that it is contained at a rate of 1%.

(実験例19)
実験例2で得られた中間粒子を用い、温度条件に含まれる降温速度の条件以外、実験例5と同様の操作を行い、円板状の焼結体(金属材料)を得た。降温速度は、17.1K/s(制御プログラムの設定値として、冷却時間60sと設定)と、実験例5〜8(1.1K/s:制御プログラムの設定値として、冷却時間900sと設定)と比較してより速い速度で降温冷却する条件に設定した。
(Experimental example 19)
Using the intermediate particles obtained in Experimental Example 2, the same operation as in Experimental Example 5 was performed except for the temperature drop rate condition included in the temperature condition, to obtain a disk-shaped sintered body (metal material). The cooling rate is 17.1 K / s (set as a control program setting value with a cooling time of 60 s) and Experimental Examples 5 to 8 (1.1 K / s: set as a control program setting value with a cooling time of 900 s) The temperature was cooled and cooled at a faster rate than that.

(試験例18)
降温速度が相対的に遅い条件で得られた金属材料(実験例6)、及び降温速度が相対的に速い条件で得られた金属材料(実験例19)それぞれに対してX線回折装置を用いて回折パターンを測定した。
図33は、試験例18によるX線回折パターンを示す図であり、上段に実験例19のX線回折パターン、下段に実験例6のX線回折パターンを示している。
(Test Example 18)
An X-ray diffractometer was used for each of the metal material (Experimental Example 6) obtained under the condition of a relatively low temperature drop rate (Experimental Example 6) and the metal material obtained under the condition of a relatively fast temperature drop rate (Experimental Example 19). The diffraction pattern was measured.
FIG. 33 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern according to Test Example 18. In the upper part, the X-ray diffraction pattern of Experimental Example 19 is shown in the upper part, and the X-ray diffraction pattern of Experimental Example 6 is shown in the lower part.

図33を見ると、実験例6及び実験例19のいずれの場合においても、FCC相のピークと、HCP相のピークとが見られる。   Referring to FIG. 33, in any of Experimental Example 6 and Experimental Example 19, the peak of the FCC phase and the peak of the HCP phase can be seen.

ここで、FCC相の(111)面のピーク強度と、HCP相の(10−11)面のピーク強度とに着目すると、実験例19におけるFCC相の(111)面のピーク強度は非常に大きく現れている。これに対し、HCP相の(10−11)面のピーク強度は非常に小さく現れている。
よって、実験例19におけるFCC相の(111)面のピーク強度に対するHCP相の(10−11)面の相対的なピーク強度は、非常に小さい値となる。
一方、実験例6におけるFCC相の(111)面のピーク強度に対するHCP相の(10−11)面の相対的なピーク強度は、実験例19ほど小さくはない。
実験例19におけるHCP相の(10−11)面の相対的なピーク強度は、実験例6におけるHCP相の(10−11)面の相対的なピーク強度と比較して非常に小さいことが判る。
Here, paying attention to the peak intensity of the (111) plane of the FCC phase and the peak intensity of the (10-11) plane of the HCP phase, the peak intensity of the (111) plane of the FCC phase in Experimental Example 19 is very large. Appears. On the other hand, the peak intensity of the (10-11) plane of the HCP phase appears very small.
Therefore, the relative peak intensity of the (10-11) plane of the HCP phase with respect to the peak intensity of the (111) plane of the FCC phase in Experimental Example 19 is a very small value.
On the other hand, the relative peak intensity of the (10-11) plane of the HCP phase with respect to the peak intensity of the (111) plane of the FCC phase in Experimental Example 6 is not as small as that of Experimental Example 19.
It can be seen that the relative peak intensity of the (10-11) plane of the HCP phase in Experimental Example 19 is very small compared to the relative peak intensity of the (10-11) plane of the HCP phase in Experimental Example 6. .

この結果より、実験例19で得られた金属材料に含まれるHCP相の量は、実験例6で得られた金属材料よりも、相対的に少ないことが判る。実験例6で得られた金属材料におけるHCP相の断面面積率は23.0%であり、実験例19で得られる金属材料に含まれるHCP相の量は、この値よりも十分に少ない値であることが判る。   From this result, it can be seen that the amount of the HCP phase contained in the metal material obtained in Experimental Example 19 is relatively smaller than that of the metal material obtained in Experimental Example 6. The cross-sectional area ratio of the HCP phase in the metal material obtained in Experimental Example 6 is 23.0%, and the amount of the HCP phase contained in the metal material obtained in Experimental Example 19 is a value sufficiently smaller than this value. I know that there is.

また、上記結果から、降温速度を高く設定することで、FCC相単相領域から速やかに常温まで降温することでHCP相が析出するのを抑制されていることが判る。
このように、焼結時の降温速度の条件を調整することで、得られる金属材料のHCP相の量を調整できることは明らかである。
Moreover, it turns out that precipitation of a HCP phase is suppressed by temperature-falling rapidly to normal temperature from the FCC phase single phase area | region by setting a temperature-fall rate high from the said result.
Thus, it is clear that the amount of the HCP phase of the obtained metal material can be adjusted by adjusting the temperature drop rate conditions during sintering.

(試験例19)
万能試験機を用いて、実験例6及び19で得られた金属材料について、引張試験を行った。試験機器及び試験条件等は、試験例6と同様である。
(Test Example 19)
A tensile test was performed on the metal materials obtained in Experimental Examples 6 and 19 using a universal testing machine. Test equipment, test conditions, and the like are the same as in Test Example 6.

図34は、試験例19による引張試験によって得られた応力−ひずみ曲線である。
図中、降温速度が相対的に遅い条件で得られた金属材料(実験例6)では、引張強度が1283MPa、破断伸びが24.3%であった(試験例6の実験例6と同じである)。
34 is a stress-strain curve obtained by the tensile test according to Test Example 19. FIG.
In the figure, the metal material (Experimental Example 6) obtained under the condition of a relatively slow temperature drop rate had a tensile strength of 1283 MPa and an elongation at break of 24.3% (same as Experimental Example 6 of Test Example 6). is there).

一方、降温速度が相対的に速い条件で得られた金属材料(実験例19)では、引張強度が1031、破断伸びが17.5%と、引張強度、及び破断伸び共に低下している。   On the other hand, in the metal material (Experimental Example 19) obtained under the condition where the temperature decrease rate is relatively high, the tensile strength is 1031 and the elongation at break is 17.5%, both the tensile strength and the elongation at break are reduced.

このように、網目状組織の微細粒組織領域がHCP相とFCC相の2相組織とされている実験例6による金属材料では、HCP相の量が十分に少ない実験例19による金属材料と比較して、強度及び延性を高められることが確認できる。   Thus, the metal material according to Experimental Example 6 in which the fine grain structure region of the network structure is a two-phase structure of the HCP phase and the FCC phase is compared with the metal material according to Experimental Example 19 in which the amount of HCP phase is sufficiently small. Thus, it can be confirmed that the strength and ductility can be increased.

1 微細粒組織領域
1a 微細結晶粒
1a1 第1結晶粒
1a2 第2結晶粒
2 粗大粒組織領域
2a 粗大結晶粒
3 粉末粒子
8 表面部微細粒組織領域
8a 表面部微細結晶粒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine grain structure area | region 1a Fine crystal grain 1a1 1st crystal grain 1a2 2nd crystal grain 2 Coarse grain structure area 2a Coarse crystal grain 3 Powder particle 8 Surface part fine grain structure area 8a Surface part fine crystal grain

Claims (13)

実質的に単一の金属又は合金からなる金属材料であって、
前記金属材料の金属組織が、
微細結晶粒によって構成されている微細粒組織領域と、
前記微細結晶粒の平均結晶粒径よりも大きい平均結晶粒径の粗大結晶粒によって構成されている複数の粗大粒組織領域と、を含み、
前記微細粒組織領域は、前記複数の粗大粒組織領域が当該微細粒組織領域内に分散点在することによって網目状組織とされ、
前記微細結晶粒は、互いに結晶構造が異なる2種類の結晶粒を含むことで2相組織とされている金属材料。
A metallic material consisting essentially of a single metal or alloy,
The metal structure of the metal material is
A fine grain structure region composed of fine crystal grains;
A plurality of coarse grain structure regions constituted by coarse crystal grains having an average crystal grain size larger than the average crystal grain size of the fine crystal grains,
The fine grain structure region is a network structure in which the plurality of coarse grain structure regions are dispersed in the fine grain structure region,
The fine crystal grain is a metal material having a two-phase structure by including two kinds of crystal grains having different crystal structures.
前記2種類の結晶粒のいずれか一方の結晶構造が六方細密構造である請求項1に記載の金属材料。   The metal material according to claim 1, wherein the crystal structure of one of the two types of crystal grains is a hexagonal close-packed structure. 結晶構造が六方細密構造である結晶粒は、前記微細粒組織領域の断面面積率に対して40%以上の割合で含まれている請求項2に記載の金属材料。   3. The metal material according to claim 2, wherein crystal grains having a hexagonal close-packed structure are included at a ratio of 40% or more with respect to a cross-sectional area ratio of the fine grain structure region. 前記微細粒組織領域の割合は、断面面積率で20%以上、70%以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の金属材料。   The metal material according to claim 1, wherein a ratio of the fine grain structure region is 20% or more and 70% or less in terms of a cross-sectional area ratio. 前記微細結晶粒の平均結晶粒径は、5μm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の金属材料。   The metal material according to claim 1, wherein an average crystal grain size of the fine crystal grains is 5 μm or less. 前記実質的に単一の金属又は合金からなる粉末粒子を焼結することによって形成されたものである請求項1に記載の金属材料。   The metal material according to claim 1, wherein the metal material is formed by sintering powder particles substantially consisting of a single metal or alloy. 前記単一の金属又は合金は、Co−Cr−Mo合金、オーステナイト系ステンレス鋼、及びマンガン鋼から選択される少なくとも1種である請求項1に記載の金属材料。   The metal material according to claim 1, wherein the single metal or alloy is at least one selected from a Co—Cr—Mo alloy, an austenitic stainless steel, and a manganese steel. 前記実質的に単一の金属又は合金からなる粉末粒子を焼結することによって得られる金属材料の製造方法であって、
(A)前記粉末粒子の表面に、当該粉末粒子を構成している結晶粒の平均結晶粒径よりも小さい平均結晶粒径の微細結晶粒によって構成されている表面部微細粒組織領域を形成し、表面に前記表面部微細粒組織領域を有しかつ中心部に前記微細結晶粒の平均結晶粒径よりも大きい平均結晶粒径の粗大結晶粒によって構成されている粗大粒組織領域を有する中間粒子を得る工程と、
(B)前記中間粒子を焼結することで、各中間粒子の前記表面部微細粒組織領域同士を互いに結合させ、金属組織が、前記表面部微細粒組織領域同士が互いに結合することで網目状組織とされた微細粒組織領域と、前記中間粒子に含まれていた複数の前記粗大粒組織領域と、を含んだ金属材料であって、複数の前記粗大粒組織領域が前記微細粒組織領域の網目内部に配置されている金属材料を形成する工程と、を含み、
前記工程(B)において、前記中間粒子を焼結する際の昇温によって、昇温前の前記微細粒組織領域を構成している微細結晶粒の固相とは異なる他の固相の結晶粒を、前記金属組織に析出させる金属材料の製造方法。
A method for producing a metal material obtained by sintering powder particles substantially consisting of a single metal or alloy,
(A) forming on the surface of the powder particles a surface portion fine grain structure region constituted by fine crystal grains having an average crystal grain size smaller than an average crystal grain size of crystal grains constituting the powder particle; An intermediate particle having a coarse-grained region having a surface-fine-grained region on the surface and a coarse-grained region having an average grain size larger than the average grain size of the fine-grained particles in the center. And obtaining
(B) By sintering the intermediate particles, the surface portion fine grain structure regions of each intermediate particle are bonded to each other, and the metal structure is bonded to each other, and the surface portion fine particle structure regions are bonded to each other. A metal material including a fine-grained texture region and a plurality of the coarse-grained texture regions included in the intermediate particles, wherein the coarse-grained texture regions are the fine-grained texture regions. Forming a metal material disposed inside the mesh, and
In the step (B), other solid phase crystal grains different from the solid phase of the fine crystal grains constituting the fine grain structure region before the temperature rise due to the temperature rise when sintering the intermediate particles Is a method for producing a metal material that precipitates in the metal structure.
前記工程(A)において、前記粉末粒子に強加工を施すことで、前記粉末粒子の表面に前記表面部微細粒組織領域を形成する請求項8に記載の金属材料の製造方法。   The method for producing a metal material according to claim 8, wherein in the step (A), the surface fine particle structure region is formed on the surface of the powder particle by subjecting the powder particle to strong processing. 前記強加工は、メカニカルミリング処理である請求項9に記載の金属材料の製造方法。   The method for producing a metal material according to claim 9, wherein the strong processing is mechanical milling. 前記工程(A)において、前記粉末粒子の表面に存在する準安定相の部分を、前記強加工によって安定相に変態させることで、前記粉末粒子の表面に実質的に安定相の単相とされた前記表面部微細粒組織領域を形成するものであり、
前記工程(B)において、前記他の固相が準安定相であり、
前記中間粒子を焼結する際の昇温によって、前記微細粒組織領域に、準安定相の結晶粒を析出させる請求項9又は10に記載の金属材料の製造方法。
In the step (A), a portion of the metastable phase existing on the surface of the powder particle is transformed into a stable phase by the strong processing, so that the surface of the powder particle is substantially a single phase of the stable phase. The surface portion fine grain structure region is formed,
In the step (B), the other solid phase is a metastable phase,
The method for producing a metal material according to claim 9 or 10, wherein a crystal grain of a metastable phase is precipitated in the fine grain structure region by increasing a temperature when sintering the intermediate particles.
前記工程(B)において、前記単一の金属又は合金が固相変態を開始する温度を通過するように昇温することで、前記他の固相の結晶粒を析出させる請求項8〜11のいずれか一項に記載の金属材料の製造方法。   In the step (B), the temperature of the single metal or alloy is increased so as to pass a temperature at which solid phase transformation starts, so that the crystal grains of the other solid phase are precipitated. The manufacturing method of the metal material as described in any one. 前記単一の金属又は合金は、Co−Cr−Mo合金、オーステナイト系ステンレス鋼、Ti−Al−V合金、Ni−Ti合金、及びマンガン鋼から選択される少なくとも1種である請求項8に記載の金属材料の製造方法。   The single metal or alloy is at least one selected from a Co-Cr-Mo alloy, an austenitic stainless steel, a Ti-Al-V alloy, a Ni-Ti alloy, and a manganese steel. Metal material manufacturing method.
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