JP2015218387A - 鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強度及び延性を高めることができる鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法においては、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%又は1.45wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素合金材料が生成される。鉄マンガンアルミニウム炭素合金材料は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成される。これにより、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の強度及び延性を高めることができる。【選択図】なし
Description
本発明は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法に関し、特に、23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.4wt%〜1.8wt%又は1.45wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分が製錬されて製造され、高強度、高延性、高表面強度及び高耐腐蝕性を有する鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法に関する。
本発明と関連性のある従来の鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法の技術としては、非特許文献1〜非特許文献3の研究論文及び特許文献1が挙げられる。非特許文献1及び非特許文献2は、本発明の発明者が発表した研究論文である。また、特許文献1は、本発明の発明者が以前発明した出願案件である。非特許文献1の1084ページ(「Introduction」中の左欄の28行から右欄の1行を参照)に、“In these studies, it is seen that the as-quenched microstructure of Fe- (29~30) % Mn - (7.7~9) % Al- (1.5~2.5) % C alloys was γ phase containing fine κ¢ carbides. (19.20)”と記載されている(“20”及び“19”の文献は、それぞれ非特許文献2及び非特許文献3を指す)。非特許文献1の1084ページの開示内容は、非特許文献2及び非特許文献3に開示する関連技術を説明するために用いられる。即ち、非特許文献2及び非特許文献3は、非特許文献1を発表した際の従来技術又は従来技術レベルを説明するものであるため、非特許文献1の1084ページに開示される技術は、非特許文献1の研究結果(1088ページの“Conclusions(結論)”の内容を参照)をFe- (29~30) % Mn - (7.7~9) % Al- (1.5~2.5) % Cを含む鉄マンガンアルミニウム炭素合金(即ち、29wt%?30wt%のマンガン、7.7wt%〜9wt%のアルミニウム、1.5wt%〜2.5wt%の炭素及び残りが鉄)に適用できることを証明するには不足する。
非特許文献3において、「29wt%〜30wt%のマンガン、7.7wt%〜9wt%のアルミニウム、1.5wt%〜2.5wt%の炭素及び残りが鉄」の鉄マンガンアルミニウム炭素合金について述べられているが、非特許文献3は、主に、上述の合金を高温1373K(1100℃)で溶体化処理し、その後、炉冷してオーステナイト及びκ?炭化物の2相構造を生成する技術に関する研究である。結果、室温での引張テストにより、耐引張強度が約900MPaであり、延伸率が略ゼロであった(非特許文献3の要約の3行?5行及び613ページの図8を参照)。上述の合金の室温での延性を改善する(非特許文献3の614ページ〜615ページを参照)ために、研究者は、合金を高温1373K(1100℃)で溶体化処理し、その後、1073K(800℃)で様々な時間の時効硬化処理を行った。結果、オーステナイト及び肉眼で見えるミクロサイズ(>10μm)のκ?炭化物のγ/κ層状(lamellar)のミクロ構造が形成された。室温での引張結果によると、耐引張強度が約1050MPaであり、延伸率が約11%であった。このことから、非特許文献3の処理技術によって得られる強度及び延性は、特許文献1がアピールする高強度及び高延性より遥かに小さい(又は達成できない)ことが分かる。また、非特許文献3は、上述の合金の「800℃の時効によって生成されるオーステナイト及びκ?炭化物のγ/κ層状のミクロ構造」のみが言及され、特許文献1の「オーステナイト相の基地内に非常に緻密なナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k¢-炭化物)を有し、k'-炭化物は、合金の溶体化処理の冷却過程において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相の基地内に形成される」技術が開示されていない。
また、非特許文献1の標題「Relationship between Microstructures and Tensile Properties of an Fe-30Mn-8.5Al-2.0C Alloy」又は非特許文献1の最終ページに開示されるConclusions(結論)の内容から分かるように、非特許文献1の研究対象は、30wt%のマンガン(Mn)、8.5wt%のアルミニウム(Al)、2.0wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の所定の成分比率の鉄マンガンアルミニウム炭素合金に限られる。また、非特許文献2の標題「Phase transitions in an Fe-9Al-30Mn-2.0C Alloy」から分かるように、非特許文献2の研究対象は、30wt%のマンガン(Mn)、9wt%のアルミニウム(Al)、2.0wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の所定の成分比率の鉄マンガンアルミニウム炭素合金に限られる。また、非特許文献1及び非特許文献2の研究論文は、何れも、本発明の発明者によって初めて発見された特殊な成分構成(例えば、30wt%のマンガン(Mn)、8.5wt%又は9wt%のアルミニウム(Al)、2.0wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe))の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の溶体化処理の冷却過程において、スピノーダル分解による相変化メカニズムによってオーステナイト相の基地内にナノサイズの整列したk'-炭化物が析出される現象を述べたものである。この現象は、学術研究上初めて発見されたものであり、得られるミクロ構造は、合金の機械特性を改善する効果を有する。しかし、非特許文献1及び非特許文献2は、所定の成分比率(例えば、2.0wt%の炭素及び8.5wt%又は9wt%のアルミニウムに限定される)の鉄マンガンアルミニウム炭素合金を研究対象としたものであるため、得られる研究結果も所定の成分比率の鉄マンガンアルミニウム炭素合金のみしか適用されない(非特許文献1の1088ページの「Conclusions」(結論)を参照)。このため、非特許文献1及び非特許文献2の研究論文の結果を他の成分比率に適用可能であるか否かを確定することができない。
また、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の専門技術に関する本発明の発明者の意見としては、非特許文献1及び非特許文献2は、所定の成分比率の鉄マンガンアルミニウム炭素合金(例えば、2.0wt%の炭素に限定される)のみが開示されているため、得られる研究結果及び技術も産業上に利用できる水準に達していない。金属材料を熟知する専門家であれば誰でも知っていることであるが、同一の金属材料であっても、各位置の成分が完全に均一に同一であることはあり得ない。例えば、最も頻繁に使用される普通炭素鋼AISI?SAE1040(William F. Smith「STRUCTURE AND PROPERTIES OF ENGINEERING ALLOYS」Second Editionの94ページを参照)を例に挙げると、成分分析の結果、Cが0.37wt%〜0.44wt%であり、Mnが0.60wt%〜0.90wt%であるものは、何れもAISI1040普通炭素鋼と称す。また、AISI4340合金鋼(「The Making, Shaping and Treating of Steel」Edited by Harold E. McGannonの1130ページを参照)を例に挙げると、Cが0.38wt%〜0.43wt%であり、Mnが0.60wt%?0.80wt%であり、Siが0.20wt%〜0.35wt%であり、Niが1.65wt%?2.00wt%であり、Crが0.70wt%〜0.90wt%であり、Moが0.20wt%〜0.30wt%であり、Pが0.035wt%より少なく、Sが0.040wt%より少ないものは、何れもAISI4340合金鋼と称す。明らかに、非特許文献1及び非特許文献2に開示される技術は、単一の組成成分(例えば、2.0wt%の炭素に限定される)のみに限定されるため、産業上の利用性を有さない。
また、金属材料を熟知する専門家であれば誰でも知っていることであるが、スピノーダル分解による相変化は、極めて少数の金属及びガラスの合金にしか発生しない(Wiley international Editions「Fundamentals of Physical Metallurgy」390ページ〜391ページ及び396ページ〜397ページを参照)。スピノーダル分解による相変化は、一般合金の相変化の核生成及び成長(nucleation&growth)によって第2析出物が生成されるメカニズムとは、全くことなる(非特許文献3に述べるように、当該合金は、800℃の時効によって肉眼で見えるκ?炭化析出物が生成され、γ/κ層状のミクロ構造が形成され、核生成及び成長メカニズムに属する)。スピノーダル分解による相変化が発生する条件は、極めて厳しく、以下(1)〜(3)の条件が必要である。(1)合金系の位相図中、所謂「2相完全混合間隙(miscibility gap)」が存在する必要がある。(2)相変化の際、エネルギー障壁がない(energy barrier, ?G*<0)。(3)相分離する際、伴って存在する2相間の界面エネルギー(interfacial energy)及び整合性歪みエネルギー(coherency strain energy)が非常に低くなければならない。このため、スピノーダル分解による相変化が発生する成分範囲及び温度領域は、2相完全混合間隙より小さい。例えば、スピノーダル分解による相変化が発生することが発見されたFe−Mo合金系を例に挙げると、スピノーダル分解が発生する成分範囲は、モリブデン含有量が17at%〜20at%の間のみ(「Spinodal Decomposition in Fe-Mo-Co and Fe-Mo-V Ternary System」By Takao KOZAKAI et al.の研究論文159ページ〜164ページを参照)であり、スピノーダル分解の範囲を拡充するために、モリブデンの含有量を低くし、異なる比率のコバルト又はバナジウムを加えて三元合金系を形成した。しかし、スピノーダル分解が発生する成分領域及び温度範囲は、僅かな範囲に限定される(163ページの図2を参照)。このことから分かるように、合金中にスピノーダル分解による相変化を発生させるには、多くの厳しい条件を克服しなければならず(例えば、特定の成分範囲及び温度領域)、容易ではない。
また、ここで、発明者が金属材料に関わる文献(教科書、定期刊行物の論文、研究会の論文、インターネット上の資料など)を精査した所、スピノーダル分解による相変化が発生することが分かっている金属を高温で溶体化処理した後、冷却する過程においては、スピノーダル分解による相変化が発生しないことを発見した。このため、冷却状態では、単一相であり(「STRUCTURE AND PROPERTIES OF SPINODALLY DECOMPOSED Cu-Ni-Fe ALLOYS」の研究論文の347ページ〜349ページを参照;或いは、Royal Society Publishing 「An X-Ray study of the Dissociation of an Alloy of Copper, Iron and Nickel」研究論文の368ページ〜378ページを参照;或いは、AMERICAN SOCIETY FOR METALS「Phase Transformations」の497ページの第12章Spinodal Decompositionを参照)、スピノーダル分解による相変化を発生させるには、スピノーダル分解領域内(inside spinodal decomposition region)の温度まで加熱しなければならない。
A−B2元合金を例に挙げると、スピノーダル分解による相変化領域の加熱初期(early stage)においては、微小な組成変動(small composition fluctuation)が発生する。組成変動の振幅(amplitude)が小さい上、第2相析出物(precipitate)成分の形成には至らないため、この段階は、A-rich及びB-richの2相と称するしかない。加熱時間が長くなり、組成変動の振幅が大きくなると、最後に析出物が発生する(「Phase Transformations in Metals and Alloys」の308ページ〜311ページを参照)。この相変化メカニズムは、スピノーダル分解領域外における析出物の成分が固定され、加熱時間が長くなるほど、析出物が成長し続けて粗化する現象と全く異なる。スピノーダル分解による相変化が発生する合金を析出相に到達させ、基地と完全に相分離させるには、スピノーダル分解による相変化領域内において長時間か熱処理を行う必要がある。銅鉄ニッケル合金を例に挙げると、相変化時間は、650℃の加熱で11週必要となる(Royal Society Publishing 「An X-Ray study of the Dissociation of an Alloy of Copper, Iron and Nickel」の研究論文の368ページ〜378ページを参照)。このため、現在知られているスピノーダル分解相分離合金は、何れも「恒温でのスピノーダル分解による相変化」に属する。
上述の内容から分かるように、スピノーダル分解による相変化が発生する条件は、極めて厳しく、スピノーダル分解による相変化の発生には、多くの条件を満たす必要があり、2元及び3元合金系でも、非常に稀であり、本発明の開示する鉄マンガンアルミニウム炭素の4元合金でも、完全な位相図は、確立されていない。このように複雑な4元合金系の冷却過程においてスピノーダル分解による相変化を発生させ、緻密なナノサイズのk-carbidesを生成する合金成分範囲を見つけ出すことができれば、鉄マンガンアルミニウム炭素の4元合金は、産業上の利用価値を有することができるが、従来技術から容易に推測できるものではない。
このため、本発明の発明者は、研究を行い、スピノーダル分解による相変化の発生条件が極めて厳しく、スピノーダル分解による相変化の発生に多くの条件を満たす必要がある制限を克服し、特許文献1を発明した。しかし、特許文献1に開示される技術中、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の成分比率の範囲が拡大されたため、スピノーダル分解による相変化の発生に不利となり、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の産業上の利用性が影響を受けた。また、本発明の発明者の考えでは、冷却過程におけるスピノーダル分解による相変化、そこから派生するk'-carbides(k'-炭化物,(Fe,Mn)3AlC)の大きさ、分布状態、合金の機械性質への影響などは、更なる実験分析及び研究を行わなければ、鍵となる技術(特に、炭素及びアルミニウムの成分範囲及び相対関係)を明確にすることができず、この鍵となる技術を明確にすることにより、産業上の利用価値を達成することができる。このため、本発明の発明者は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の産業上の利用性の研究を継続して行い、非特許文献1、非特許文献2及び特許文献1を発表した後、産業上の利用価値を更に有する本発明を案出した。
Materials Transactions,Vol. 51, No. 6, 2010/04/28 pp1084-1088「Relationship between Micrstructures and Tensile Properties of an Fe-30Mn-8.5Al--2.0C Alloy(鉄マンガンアルミニウム炭素合金のミクロ構造と引張強さとの間の関係)」
Scripta Materialia 57 (2007) 809-812「Phase transitions in an Fe-9Al-30Mn-2.0C alloy(鉄マンガンアルミニウム炭素合金の相変化)」
Intermetallics 12(2004)607-617「Microstructure control and ductility improvement of the two-phase γ-Fe/k-(Fe, Mn)3AlC alloys in the Fe-Mn-Al-C quaternary system」
本発明の第1の目的は、23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.4wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素の合金材料が生成され、合金材料は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k¢-炭化物)が形成されることにより、合金の強度及び延性を有効に高めることができ、合金の使用効果を高め、使用範囲を拡大させることができる鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第2の目的は、鉄マンガンアルミニウム炭素の合金材料が23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.45wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分を含むことにより、鉄マンガンアルミニウム炭素合金上に形成されるナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)を更に緻密にし、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の強度及び延性を有効に高めることができる鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第3の目的は、生成された鉄マンガンアルミニウム炭素合金に窒化処理を行い、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層を形成することにより、合金の表面硬度及び耐蝕性を高めることができる上、合金の使用効果を高め、使用範囲を拡大させることができる鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第2の目的は、鉄マンガンアルミニウム炭素の合金材料が23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.45wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分を含むことにより、鉄マンガンアルミニウム炭素合金上に形成されるナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)を更に緻密にし、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の強度及び延性を有効に高めることができる鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第3の目的は、生成された鉄マンガンアルミニウム炭素合金に窒化処理を行い、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層を形成することにより、合金の表面硬度及び耐蝕性を高めることができる上、合金の使用効果を高め、使用範囲を拡大させることができる鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法を提供することにある。
上述の課題を解決するために、請求項1の発明は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素合金が生成され、鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成されることを特徴とする鉄マンガンアルミニウム炭素合金である。
請求項2の発明は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金及び窒化層を備える高強度及び高耐腐蝕性を有する鉄マンガンアルミニウム炭素合金であって、鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素合金が生成され、鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(κ¢?炭化物)が形成され、窒化層は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に形成され、冷却後の鉄マンガンアルミニウム炭素合金に450℃〜550℃で窒化処理が行われることにより、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層が形成されることを特徴とする鉄マンガンアルミニウム炭素合金である。
請求項3の発明は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分を製錬して合金を生成するステップと、合金を980℃〜1200℃で溶体化処理した後、冷却することにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、オーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(κ¢?炭化物)が形成され、k'-炭化物は、合金の溶体化処理後の冷却過程中におけるスピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に形成されるステップと、冷却後の合金に450℃〜550℃で時効(aging)処理を行うステップと、を含むことを特徴とする高強度及び高延性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法である。
請求項4の発明は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分を製錬して合金を生成するステップと、合金を980℃〜1200℃で溶体化処理した後、冷却することにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、オーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(κ¢?炭化物)が形成され、k'-炭化物は、合金の溶体化処理後の冷却過程中におけるスピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に形成されるステップと、冷却後の合金をイオン窒化炉中又はガス窒化炉中に置き、450℃〜550℃で窒化処理を行い、合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層を形成するステップと、を含むことを特徴とする高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法である。
請求項5の発明は、窒化処理を行う際にイオン窒化炉を採用した場合、窒化処理に用いられるガスは、20%〜80%の窒素を含む窒素及び水素の混合ガスであり、イオン窒化炉の気圧は、1torr〜6torrであることを特徴とする請求項4に記載の高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法である。
請求項6の発明は、窒化処理を行う際にガス窒化炉を採用した場合、窒化処理に用いられるガスは、20%〜80%のアンモニアを含むアンモニア及び窒素の混合ガス、或いは、アンモニア、窒素及び水素の混合ガスであることを特徴とする請求項4に記載の高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法である。
本発明の製造方法による鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法においては、23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.4wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素の合金材料が生成され、合金材料は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成されることにより、合金の強度及び延性を有効に高めることができ、合金の使用効果を高め、使用範囲を拡大させることができる。また、本発明によって生成された鉄マンガンアルミニウム炭素合金に窒化処理を行い、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層を形成することにより、合金の表面硬度及び耐蝕性を高めることができる上、合金の使用効果を高め、使用範囲を拡大させることができる。
本発明を更に明確にするために、本発明の構造及び技術特徴を以下に示す。
本発明は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金を提供するものである。本発明の鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素合金が生成される。
本発明の鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成される。
本発明は、高強度及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金を提供するものである。本発明の鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金及び窒化層を含む。鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素の合金が生成される。合金は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解相(spinodal decomposition)変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成される。窒化層は、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に形成される。また、冷却後の合金に450℃〜550℃で窒化処理が行われることにより、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層が形成される。
本発明は、高強度及び高延性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法を提供するものである。本発明の高強度及び高延性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法は、以下ステップ(1)〜ステップ(3)を含む。
ステップ(1):23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分を製錬して合金を生成する。
ステップ(2):合金を980℃〜1200℃で溶体化処理した後、冷却することにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、オーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成される。k'-炭化物は、合金の溶体化処理後の冷却過程中におけるスピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に形成される。
ステップ(3):冷却後の合金に450℃〜550℃で時効(aging)処理を行う。
本発明は、高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法を提供するものである。本発明の高強度及び高延性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法は、以下ステップ(1)〜ステップ(3)を含む。
ステップ(1):23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分を製錬して合金を生成する。
ステップ(2):合金を980℃〜1200℃で溶体化処理した後、冷却することにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、オーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成される。κ?炭化物は、合金の溶体化処理後の冷却過程中におけるスピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に形成される。
ステップ(3):冷却後の合金をイオン窒化炉中又はガス窒化炉中に置き、450℃〜550℃で窒化処理を行うことにより、合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層を形成する。
上述の製造方法中、窒化処理を行う際にイオン窒化炉を採用した場合、窒化処理に用いられるガスは、20%〜80%の窒素を含む窒素及び水素の混合ガスであり、イオン窒化炉の気圧は、1torr〜6torrである。
上述の製造方法中、窒化処理を行う際にガス窒化炉を採用した場合、窒化処理に用いられるガスは、20%〜80%のアンモニアを含むアンモニア及び窒素の混合ガス、或いは、アンモニア、窒素及び水素の混合ガスである。
本発明の鉄マンガンアルミニウム炭素合金及びその製造方法においては、鉄マンガンアルミニウム炭素の合金材料が23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.45wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分を含むことにより、鉄マンガンアルミニウム炭素合金上に形成されるナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)を更に緻密にし、鉄マンガンアルミニウム炭素合金の強度及び延性を有効に高めることができる。
上述の説明は、本発明の技術特徴を示す好適な実施形態を説明したものである。当業者は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において変更および修飾を行うことができ、これらの変更および修飾は、本発明の特許請求の範囲に含まれる。
Claims (8)
- 23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%?1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素合金が生成され、
前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成されることを特徴とする鉄マンガンアルミニウム炭素合金。 - 鉄マンガンアルミニウム炭素合金及び窒化層を備える高強度及び高耐腐蝕性を有する鉄マンガンアルミニウム炭素合金であって、
前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分が製錬されて鉄マンガンアルミニウム炭素合金が生成され、前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、980℃〜1200℃で溶体化処理された後、冷却されることにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、冷却過程中において、スピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成され、
前記窒化層は、前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に形成され、冷却後の前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金に450℃〜550℃で窒化処理が行われることにより、前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層が形成されることを特徴とする鉄マンガンアルミニウム炭素合金。 - 前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.45wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の鉄マンガンアルミニウム炭素合金。
- 23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分を製錬して合金を生成するステップと、
前記合金を980℃〜1200℃で溶体化処理した後、冷却することにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、オーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成され、前記k'-炭化物は、合金の溶体化処理後の冷却過程中におけるスピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に形成されるステップと、
冷却後の前記合金に450℃〜550℃で時効(aging)処理を行うステップと、を含むことを特徴とする高強度及び高延性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法。 - 23wt%〜34wt%のマンガン、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム、1.4wt%〜1.8wt%の炭素及び残りが鉄の組成成分を製錬して合金を生成するステップと、
前記合金を980℃〜1200℃で溶体化処理した後、冷却することにより、ミクロ構造が完全オーステナイト相である上、オーステナイト相基地内に非常に緻密で細かいナノサイズの(Fe,Mn)3AlCX炭化物(k'-炭化物)が形成され、前記k'-炭化物は、合金の溶体化処理後の冷却過程中におけるスピノーダル分解(spinodal decomposition)による相変化メカニズムによってオーステナイト相基地内に形成されるステップと、
冷却後の前記合金をイオン窒化炉中又はガス窒化炉中に置き、450℃〜550℃で窒化処理を行い、合金の表面に大部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化アルミニウム(AlN)と、少量部分に面心立方(FCC)構造を有する窒化鉄(Fe4N)と、からなる窒化層を形成するステップと、を含むことを特徴とする高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法。 - 前記窒化処理を行う際にイオン窒化炉を採用した場合、前記窒化処理に用いられるガスは、20%〜80%の窒素を含む窒素及び水素の混合ガスであり、前記イオン窒化炉の気圧は、1torr〜6torrであることを特徴とする請求項5に記載の高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法。
- 前記窒化処理を行う際にガス窒化炉を採用した場合、前記窒化処理に用いられるガスは、20%〜80%のアンモニアを含むアンモニア及び窒素の混合ガス、或いは、アンモニア、窒素及び水素の混合ガスであることを特徴とする請求項5に記載の高強度、高延性及び高耐腐蝕性の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法。
- 前記鉄マンガンアルミニウム炭素合金は、23wt%〜34wt%のマンガン(Mn)、8wt%〜9.5wt%のアルミニウム(Al)、1.45wt%〜1.8wt%の炭素(C)及び残りが鉄(Fe)の組成成分を含む請求項4又は5に記載の鉄マンガンアルミニウム炭素合金の製造方法。
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