JP3913000B2 - 鉄基合金の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高いヤング率を示すことにより剛性の向上が図られ、かつ、軽量コンパクト化に好適な鉄基合金およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
鉄をベースとする鉄合金や鋼といったいわゆる鉄基合金は、各種の構造用金属材料としてもっとも広く利用されている。ところで、あらゆる分野において軽量コンパクト化の要求が高まっている近年では、構造金属材料にもその要求を満たす特性が求められている。そのため、従来は高強度化を図ることで対応してきたが、そのような材料では、強度は満足しても剛性が不足し、部品によっては軽量コンパクト化が進まないものがみられるようになってきている。
【0003】
軽量化を図る上では、材料を軽い金属に置換する手段があるが、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽合金に置換した場合、強度不足のため大型化してしまい、コンパクト化は達成しにくい。また、セラミックス用いて軽量化を図ったものもあるが、靱性が低い上にコストが高くなる等の理由から構造材には適していない。さらに、鉄にセラミック粒子等の強化粒子を添加した高ヤング率を示す鉄鋼材の研究も行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記強化粒子の添加においては、強化粒子と基地の密着状態が完全ではなく、また、強化粒子が結晶粒界に偏析するので理論値通りのヤング率が得られないのに加え、強化粒子の添加量の増加に伴って粒子どうしが凝集して粗大化し靱性の低下を招くので、疲労強度との両立が困難であった。また、強化粒子の存在による高い変形抵抗と、強化粒子の結晶粒界への偏析による延性の低下は、圧延等の塑性加工を困難なものとするので、塑性加工によりγ粒を微細化して靱性の向上を図ることが難しいという問題もある。一方、従来の高強度材の代表的な材料組織であるマルテンサイトは、焼戻しを施すことにより靱性が高くなるが、元来Cが少なく、かつそのCも大部分が鉄中に固溶して存在するためFe3C(セメンタイト)相が少なく、Fe3C相の分散によるヤング率の向上は期待できない。
【0005】
したがって、本発明は、強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、強度等の機械的特性が高いレベルで確保され、さらに、これらの特性を確保する上で比重の上昇が抑えられ、結果として軽量コンパクト化が図られる鉄基合金の製造方法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、強化粒子の添加に代わるヤング率向上の手段を鋭意研究した結果、特定の元素の含有量を規定するとともに、適宜な熱処理によって基地組織中にヤング率の向上に寄与する微細なMC型炭化物を生成させることにより、本発明の目的が達成され得ることを見い出した。MC型炭化物とは、Metal−C系の炭化物であり、Metal:Cの原子比が1:1のものを言う。本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、本発明は、C:1.5〜2.5wt%、Ni:0.25〜4.75wt%、および添付図面の図1に示す線aで囲まれた領域で示される量のWとVを含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、基地組織中にMC型炭化物を含む鉄基合金を得るものである。MC型炭化物は、この場合、Cに対してVおよびWが結合して生成する晶出型のV炭化物(VC)および析出型のW炭化物(WC)の組み合わせからなる。
【0007】
図2は、本発明の鉄基合金の組織を模式的に示しており、同図に示すように、高い強度および靱性を示すマルテンサイト(M)と、高い靱性を示すオーステナイト(γ)からなる基地組織中に、WC,VC等のヤング率が高いMC型炭化物(MC)が点在している。
【0008】
本発明で得る鉄基合金は、Mn:0.25〜1.7wt%を含有する。Mnは脱酸効果、被削性の向上効果を奏する他、γ相の生成に寄与する。
また、本発明で得る鉄基合金は、Ti:0.3wt%以下、Nb:0.6wt%以下、Mo:10wt%以下、Cr:15wt%以下、B:0.005wt%以下のうちの1種または2種以上を添加させることができる。TiおよびNbは炭化物生成元素であり、一方、Mo、CrおよびBは基地強化元素である。
【0009】
本発明の鉄基合金の製造方法は、上記本発明の鉄基合金を好適に製造する方法であって、C:1.5〜2.5wt%と、Ni:0.25〜4.75wt%と、Mn:0.25〜1.7wt%と、添付図面の図1に示す線aで囲まれた領域で示される量のWおよびVと、残部:Feおよび不可避的不純物とからなる鉄基合金に対し、オーステナイト化温度以上の温度から急冷して固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトと残留オーステナイトの基地組織と未溶解炭化物の混合組織を得る第1の熱処理工程と、共析変態温度区間でMC型炭化物を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オーステナイトを析出させる第2の熱処理工程とを有することを特徴としている。この製造方法では、脱酸効果、被削性の向上効果を奏する他、γ相の生成に寄与する成分として、Mn:0.25〜1.7wt%を鉄基合金に含有させる。
【0010】
本発明の製造方法では、まず、上記組成からなる鉄基合金の材料を溶製等の手段によって得る。このとき、W,VはそれぞれWCおよびW2C、ならびにVCおよびV2Cの状態で存在している。次に、必要に応じて塑性加工等の成形加工を行った後に、第1の熱処理工程でW系炭化物が完全に固溶する900℃以上、好ましくはV系炭化物がより多く固溶する1000℃以上の温度に加熱保持してから、急冷する。急冷用の冷媒は、材料を十分に急冷可能な容量を用意できれば水を用いてもよく、その場合に焼割れ等の問題が生じるようであれば、油冷または塩浴焼入れを採用することができる。第1の熱処理工程によって得られる組織は、マルテンサイトと残留オーステナイト(γ相)の基地組織と、主にV系炭化物である固溶されない未溶解炭化物との混合組織である。
【0011】
第2の熱処理工程は、第1の熱処理工程で得られた材料に対し所定の加熱処理を行ってMC型炭化物を生成させるとともに、γ相を析出させる工程である。この加熱処理は、共析変態温度(A1変態温度)で所定時間保持した後、冷却する。このとき、Niを0.5〜2.5wt%含むことにより共析変態温度は操業上の温度ばらつきを許容し得る温度区間を生じる。前記温度区間内では、フェライト、オーステナイト、炭化物の三者の共存領域が形成されるので、この領域内に所定時間保持することにより、マルテンサイトは焼戻しマルテンサイトおよびオーステナイトに変態する。これらの変態の結果、過飽和のVおよびWが炭化物として析出する。これらの炭化物のうち、Wは始めからWCとして析出するが、VはまずV2Cとして析出し、保持時間の経過に伴いマルテンサイトの分解によって生じる炭素の供給を受け、V8C7(ほぼVCと言える)に変化する。保持時間が短すぎると、特にVC炭化物のMC化が不十分となり、保持時間が長すぎると焼戻しマルテンサイトがオーステナイトに変態し、そのオーステナイトに炭素が固溶していくので、V8C7やWCはV2CやW2Cに戻ってしまう。上記保持時間は30〜120分の範囲でMC型炭化物が得られるが、45〜105分であればMC型炭化物量が最大になるので望ましい。
【0012】
共析変態温度で加熱処理を行う理由は、共析変態温度を下回る温度ではMC型炭化物の生成に長時間を要し、共析変態温度を超えた温度ではマルテンサイトが速やかにオーステナイトに変態してしまうのでMC型炭化物が得られず、ヤング率および強度が低下するからである。
【0013】
次に、保持後の冷却段階において、Niを0.5〜2.5wt%含むことによりA1変態点以下の温度においてフェライトからオーステナイトを生じる変態が起こる。このようにして生成するオーステナイトは固溶している炭素量が少ないので、きわめて高い靱性と延性を持つ。なお、Niに加えてMnを0.25〜1.7wt%含むと、共析変態温度区間がより拡大するので操業管理が容易になる。また、析出処理後の冷却時にオーステナイト生成を補助する効果もある。
【0014】
このような第1および第2の熱処理によって得られた材料組織は焼戻しマルテンサイトと低炭素オーステナイトからなる基地組織中にMC型炭化物が点在する組織となるので、高い強度およびヤング率と、優れた靱性を示す。
【0015】
本発明の鉄基合金中に含まれる上記MC型炭化物は、含有量が多ければ多いほどヤング率が向上するが、体積率が100%の場合にはセラミックスであり、靱性、延性、機械加工性、コスト等の諸条件をバランスよく満足させる上で、適宜な量が求められる。MC型炭化物は、靱性、延性等の機械的特性の面からは体積率32%が上限とされるが、コストを考慮すると体積率の上限は25%が好ましい。また、含有量の下限としては、ヤング率を向上させる上で体積率17%以上が必要とされる。
【0016】
MC型炭化物の比重に関しては、WCが多いと高いヤング率を得るのに有効ではあるが、比重が高くなるので軽量化の点で不利になる。そこで、WCとVCとを共存させることでベースの鉄鋼と同等もしくはそれを下回る比重を得ることができる。
【0017】
本発明で得られる鉄基合金の基地組織は、低C濃度である亜共析が好ましい。本発明の鉄基合金の基本組成は、C濃度が比較的高く、通常ならば過共析組織となる。一般的に炭素鋼は、C濃度が高ければ高いほど靱性および延性は低下し、これは、炭化物が網目状に析出することに起因する。そこで、基地組織を亜共析化させて低C濃度にするには、共析温度よりも高い温度で炭化物を生成させて基地組織のC濃度を低下させる。そのためには、Feよりも活性でヤング率の高い炭化物を生成する元素の添加が有効であり、上記V,W,Ti,Nb、Mo,B等がそれらに好適な元素である。溶融状態から固化する際の初晶あるいは初析におけるこれら元素の炭化物により、基地組織のC濃度が共析濃度を下回り、亜共析化する。炭化物は網目状よりは片状、片状よりは球状の方が靱性および延性が向上する。亜共析中の炭化物は球状に生成しやすいので、基地組織は亜共析が好ましいのである。
【0018】
次に、本発明の鉄基合金に含まれる各元素の数値限定の根拠を述べる。
C:1.5〜2.5wt%
Cは、V,Wとともに炭化物を生成するための必須元素である。Cが1.5wt%を下回ると、炭化物の不足により明確なヤング率の向上効果が得られない。一方、Cが2.5wt%を超えると、炭化物過多により靱性が著しく低下する。したがって、Cの含有量を1.5〜2.5wt%とした。
【0019】
WおよびV:図1に示す線aで囲まれた領域で示される量
この領域内にWおよびVの含有量が制御されることにより、MC型以外の炭化物の生成が抑制されるとともに、MC型炭化物の体積率が17〜32%に制御され、さらに、比重が、一般に使用される鉄鋼材料(耐熱材)の上限である8.3以下に制御される。本発明は、体積率および比重に関してこれらの数値を達成することを目的としている。
【0020】
Ni:0.25〜4.75wt%
Niは、本発明における第2の熱処理工程において共析変態温度に操業のばらつきを許容し得る温度区間を生じさせ、その区間内でのMC型炭化物の生成を可能にする。また、保持後の冷却段階においてフェライトからオーステナイトを生成させ、材質の剛性、強度および靱性を向上させる。Niが0.25wt%を下回ると上記効果が得られない。一方、Niが4.75wt%を超えると最終組織中に、Cを多く固溶した高炭素オーステナイト相が現れるため、強度、靱性および延性が低下する。したがって、Niの含有量を0.25〜4.75wt%とした。
【0021】
Mn:0.25〜1.7wt%
Mnは脱酸効果を有することから鉄鋼には必ず添加される。さらに、Sと化合物を形成することにより被削性の向上に寄与する。また、Niと合わせて添加することにより、本発明における第2の熱処理工程において共析変態温度に操業のばらつきを許容し得る温度区間を拡大させ、その区間内でのMC型炭化物の生成を容易にする。また、保持後の冷却段階においてオーステナイト生成を補助する。Mnが0.25wt%を下回ると、Niとの併用添加による本発明の第2の熱処理工程における効果が得られない。一方、Mnが1.7wt%を超えると最終組織中に、Cを多く固溶した高炭素オーステナイト相が現れるため、強度、靱性および延性が低下する。したがって、Mnの含有量を0.25〜1.7wt%とした。
【0022】
Ti:0.3wt%以下
Tiは炭化物生成元素として有効であり、晶出、析出双方の形態で生成する。Ti炭化物(TiC)はWおよびVを固溶するので複炭化物を生成しやすい。したがって、Tiの含有量を0.3wt%以下とした。
【0023】
Nb:0.6wt%以下
Nbも炭化物生成元素として有効であり、晶出、析出双方の形態で生成する。Nb炭化物(NbC)はVCよりも比剛性がやや劣り、ヤング率の向上よりも基地の強化として有効である。これらを鑑み、Nbの含有量を0.6wt%以下とした。
【0024】
Mo:0.7wt%以下
Moの添加量は構造用鋼並みとし、最大添加量を0.7wt%とした。
【0025】
Cr:3.5wt%以下
Crの添加量は構造用鋼並みとし、最大添加量を3.5wt%とした。
【0027】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
(1)VとWの最適範囲を求める前実験
下記の実験例の鉄基合金を製造し、これらの炭化物の体積率と比重を求めることにより、本発明の目的を達成し得るVとWの最適な含有量の範囲を確かめた。
【0028】
〈実施例1〜32〉
表1に示す実施例1〜32の成分の鉄基合金材料をそれぞれ100kg溶解して調製した後、鋳造、熱間圧延を経て直径20mmの丸棒状のサンプルを得た。次いで、実施例1〜32のサンプルにつき、1100℃の温度に保持した状態から水冷する第1の熱処理工程を行い、続いて、640℃で1時間加熱した後に空冷する第2の熱処理工程を行った。
【0029】
【表1】
【0030】
〈比較例1〜15〉
表2に示す比較例1〜15の成分の鉄基合金からなるサンプルを上記実施例と同様にして得、これらサンプルにつき実施例と同様の熱処理を行った。
【0031】
【表2】
【0032】
図1は、実施例1〜32と比較例1〜15のW含有量とV含有量の組み合わせを示しており、同図における線aで囲まれた領域が本発明で定められるW含有量とV含有量の組み合わせである。
【0033】
次いで、上記各実施例および各比較例の各サンプルにつき、炭化物の体積率:VC%,WC%,M 6 C%およびこれらの総和であるVf%と、比重を調べた。その結果を表1、表2に併記する。ここで、VC,WCはMC型炭化物であり、ヤング率の向上に最も寄与する重要な炭化物である。また、M 6 Cは金属元素6(W,Fe,Mnのうちの1種または2種以上)に炭素1が結びついた炭化物で、ヤング率の向上にはほとんど寄与しない。なお、これらの測定方法は以下の通りである。
【0034】
・炭化物の体積率
X線回折装置(RIGAKU社製:RINT−2000)を用いて測定した。・比重
アルキメデスの原理に基づき、試験片の大気中での重量と、上皿秤に水の入った容器を乗せたときの秤量値に対して、その容器の水中に試験片を吊したときの秤量値の増分とをそれぞれ計って算出した。水の入った容器の水中に試験片を吊したときの秤量値の増分は試験片にかかる浮力に等しく、その浮力は、試験片が押しのけた水の重量に等しいので、秤量値の増分と水の密度から、試験片の体積が求められる。求めた体積と試験片の大気中の重量から、試験片の比重が求められる。
【0035】
表1,2の測定結果によれば、本発明の実施例ではMC型以外の炭化物の生成が抑制されるとともに、MC型炭化物の体積率が17〜32%、比重が8.3未満に制御されており、したがって、比重が抑えられながらヤング率、靱性、延性等の各種特性が高いレベルで確保されることが推測される。一方、本発明に対する比較例では、MC型以外の炭化物が生成しているか、MC型炭化物の体積率が上記範囲を逸脱するか、あるいは比重が8.3以上であることから、本発明の目的は達成されないことが推測される。
【0036】
図3は、実施例9の鉄基合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。この写真によると、基地組織は、第1の熱処理によりマルテンサイト化した後、第2の熱処理により焼戻された焼戻しマルテンサイト組織とオーステナイトであり、そこに炭化物が分散している。炭化物のうち、比較的大きく細長い炭化物は主にVCであり、比較的小さい炭化物は主にWCである。細かくて粒界が明確ではない部位は、オーステナイトである。このオーステナイトは、第2の熱処理の冷却中に基地組織から析出するものであり、このため、Cが少ない状態からの析出となり、きわめて粘性が高い特性を有する。
【0037】
(2)強度試験
表3に示す実施例33〜37と比較例16の成分を有する鉄基合金材料を、上記実施例1〜32と同様に溶製、鋳造、圧延して直径20mmの丸棒状のサンプルを得た後、切削加工を施して概ね所定の試験片形状に成形した。次いで、実施例33〜37の試験片については実施例1〜32と同様の熱処理を施し、一方、比較例16の試験片には一般的な浸炭処理(浸炭雰囲気からの焼入れ後、低温で焼戻し)を施した。
【0038】
【表3】
【0039】
次に、実施例33〜37と比較例16の各サンプルにつき、仕上げの切削加工を施して所定の試験片を成形し、それら試験片を用いてヤング率、疲労強度、引張り強さ、0.2%耐力といった機械的特性を調べた。測定方法は以下の通りである。
【0040】
・ヤング率
超音波法を用いた。すなわち、超音波を試験片に当てて縦波と横波の反射時間から速度を計り、比重から算出した。
・疲労強度
小野式回転曲げ疲労試験機(東京試験機製作所社製:FTO−10H)を用いて測定した。
・引張り強さ、0.2%耐力
引張り試験機(島津製作所社製:AG−5000C)により、荷重をロードセル、伸びは歪みゲージを用いて測定した。
これらの結果を、表4に示す。
【0041】
【表4】
【0042】
表4から明らかなように、比較例の鉄基合金と同等の比重でありながらも、本発明の実施例は、いずれも比較例と比べると各種機械的特性が優れており、したがって、軽量コンパクト化を達成できることが確かめられた。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、延性等の各種特性が高いレベルで確保され、さらに、これらの特性を確保する上で比重の上昇が抑えられるので、軽量コンパクト化に好適な鉄基合金として有望である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例と本発明に対する比較例の鉄基合金のW含有量とV含有量の関係を示す図である。
【図2】 本発明の鉄基合金の金属組織を模式的に示す図である。
【図3】 実施例の鉄基合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【符合の説明】
M…マルテンサイト
MC…MC型炭化物
γ…オーステナイト
Claims (1)
- C:1.5〜2.5wt%、Ni:0.25〜4.75wt%、Mn:0.25〜1.7wt%、および添付図面の図1に示す線aで囲まれた領域で示される量のWとVを含み、任意成分としてTi:0.3wt%以下、Nb:0.6wt%以下、Mo:0.7wt%以下、Cr:3.5wt%以下のうちの1種または2種以上を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる鉄基合金に対し、オーステナイト化温度以上の温度から急冷して固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトと残留オーステナイトの基地組織と未溶解炭化物の混合組織を得る第1の熱処理工程と、
共析変態温度区間でMC型炭化物を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オーステナイトを析出させる第2の熱処理工程と
を有することを特徴とする鉄基合金の製造方法。
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