JP4109762B2 - 高ヤング率Ｆｅ系部材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高ヤング率Ｆｅ系部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｆｅ系部材において、そのヤング率を向上させるための方法としては、Ｆｅ系部材のマトリックスに、高いヤング率を持つ強化用繊維、強化用粒子等の分散材を複合させる、という方法が公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来法によると、分散材がマトリックスに凝集したり、また分散材の表面性状が悪い場合には、Ｆｅ系部材の靱性が大いに損われる、という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定組成のＦｅ系素材に、特定の処理を施すことによって特定の金属組織を現出させ、これにより高ヤング率を具備すると共に高靱性若しくは実用上必要な靱性を具備したＦｅ系部材を量産することのできる前記製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、
０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％、
Ｓｉ＜２．２ｗｔ％、
０．９ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．７ｗｔ％、
０．５ｗｔ％≦Ｎｉ≦１．５ｗｔ％
および不可避不純物を含む残部Ｆｅ
よりなるＦｅ系素材の固相線温度がＴ_S であり、また液相線温度がＴ_L であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₁ をＴ_S ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_L に、また冷却条件を、冷却速度ＣＲが２５０℃／ min 以上の急冷にそれぞれ設定した熱処理を施す第１工程と、前記Ｆｅ系素材の共析変態開始温度がＴｅ１であり、また共析変態終了温度がＴｅ２であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₂ をＴｅ１＜Ｔ₂ ＜Ｔｅ２に、また加熱時間ｔを６０min ≦ｔ≦１８０min にそれぞれ設定した熱処理を施した後、空冷するようにして、前記第１工程を経た前記Ｆｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようにした第２工程とを順次行うＦｅ系部材の製造方法が提供される。
【０００６】
前記組成のＦｅ系素材に前記第１工程の熱処理を施すと、その凝固組織は１次熱処理組織に改変される。その１次熱処理組織は、例えば、マルテンサイトよりなるマトリックス、多数の塊状残留γ相、多数の金属間化合物相等より構成される。第１工程において、前記条件を変化させると、前記のような１次熱処理組織を得ることができない。また急冷に当っては、その冷却速度ＣＲを通常の油冷、強制空冷レベル以上、したがってＣＲ≧２５０℃／min に設定するもので、これには、例えば、油冷、水冷等が適用される。
【０００７】
次いで、１次熱処理組織を持つＦｅ系素材に、前記第２工程の熱処理を施すと、その１次熱処理組織は２次熱処理組織に改変される。その２次熱処理組織は、例えば、α相よりなるマトリックス、多数の微細粒状炭化物、多数の塊状析出γ相等より構成される。この２次熱処理組織には微細な短繊維状炭化物が含まれることもある。
【０００８】
２次熱処理組織において、微細粒状炭化物はＦｅ系部材のヤング率向上に寄与し、また析出γ相はＦｅ系部材の靱性向上に寄与する。
【０００９】
第２工程において、加熱温度Ｔ₂ がＴ₂ ＜Ｔｅ１であるか、加熱時間ｔがｔ＜６０min であると、炭化物の微細化および分散を十分に行うことができず、一方、加熱温度Ｔ₂ がＴ₂ ＞Ｔｅ２であるか、加熱時間ｔがｔ＞１８０min であると、黒鉛化が過度に進行すると共に炭化物の凝集が発生する。
【００１０】
前記Ｆｅ系素材の組成において、Ｃは、ヤング率向上に寄与する微細粒状炭化物を生成する。この微細粒状炭化物の生成量を増すため、Ｃを多く添加する必要があり、そこで、Ｃ含有量の下限値を０．６ｗｔ％とした。一方、Ｃ＞１．９ｗｔ％では、炭化物量だけでなく、黒鉛量も増し、また共晶炭化物および共晶黒鉛が晶出するためＦｅ系部材が脆化する。
【００１１】
Ｓｉは、脱酸および黒鉛化を促進すると共にα相に固溶してそれを強化する。またＳｉは共析変態開始温度Ｔｅ１および共析変態終了温度Ｔｅ２間の温度差ΔＴ、つまり第２工程の加熱温度Ｔ２の設定範囲を拡張する効果を有するので、その含有量を多くしたいが、これを多くすると、Ｃ含有量が多いため黒鉛量が増すので、Ｓｉ含有量はＳｉ＜２．２ｗｔ％、好ましくは、Ｓｉ≦１．０ｗｔ％に設定される。
【００１２】
Ｍｎは、脱酸および炭化物の生成を促進し、また前記温度差ΔＴを拡張する効果を有する。他の合金元素であるＮｉは炭化物の生成を抑制する作用を有するので、このＮｉの作用に打勝って炭化物の生成を促進すべくＭｎ含有量の下限値は０．９ｗｔ％に設定される。一方、Ｍｎ＞１．７ｗｔ％ではＦｅ系部材が脆化する。
【００１３】
Ｎｉは、γ相生成元素であって、常温下で析出γ相を僅かに存在させてそこに不純物を取籠め、これによりＦｅ系部材の靱性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためにはＮｉ含有量を約１ｗｔ％に設定するのが望ましい。またＮｉは前記温度差ΔＴを拡張する上で、顕著な効果を発揮する。ただし、Ｎｉ含有量がＮｉ＜０．５ｗｔ％では前記両効果を得ることができず、一方、Ｎｉ＞１．５ｗｔ％に設定しても前記温度差ΔＴの拡張量は変わらない。
【００１４】
また本発明によれば、前記第１工程において、液相線温度Ｔ_L に対して加熱温度Ｔ₁ をＴ₁ ＞Ｔ_L に設定し、また前記同様の急冷を行い、次いで前記同様の第２工程を行うＦｅ系部材の製造方法、ならびに前記第１工程において、Ａｃｍ線温度Ｔ_A および固相線温度Ｔ_S に対して加熱温度Ｔ₁ をＴ_A ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_S に設定し、また前記同様の第２工程を行うＦｅ系部材の製造方法が提供される。
【００１５】
これらの方法によっても、前記２次熱処理組織と同様の熱処理組織を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
表１は、実施例で使用するＦｅ系素材ａ₁ 〜ａ₃ および比較例で使用するＦｅ系素材ｂの組成を示す。それらＦｅ系素材ａ₁ 〜ａ₃ ，ｂは金型鋳造法により鋳造されたものである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
〔Ｉ〕加熱温度Ｔ₁ をＴ_S ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_L に設定した実施例
図１はＦｅ系素材ａ₁ の状態図の一部を示し、この場合の固相線温度Ｔ_S および液相線温度Ｔ_L は、０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％において、それぞれ固相線Ｓ_L および液相線Ｌ_L 上に存する。共析変態開始温度Ｔｅ１は６３０℃、共析変態終了温度Ｔｅ２は７２１℃である。またＦｅ系素材ｂの固相線温度Ｔ_S は１１５９℃、液相線温度Ｔ_L は１３１９℃、共析変態開始温度Ｔｅ１は７４７℃、共析変態終了温度Ｔｅ２は７８２℃である。
【００１９】
両Ｆｅ系素材ａ₁ ，ｂを用い、表２、図２，図３に示す条件にて第１，第２工程を行って、Ｆｅ系素材ａ₁ に対応するＦｅ系部材Ａ₁ とＦｅ系素材ｂに対応するＦｅ系部材Ｂをそれぞれ製造した。
【００２０】
【表２】

【００２１】
図４は、第１工程を経たＦｅ系素材ａ₁ の１次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真であり、図５は図４の概略写図である。その１次熱処理組織は、マルテンサイトよりなるマトリックス、多数の塊状残留γ相、多数の金属間化合物相（ＭｎＳ等）等より構成される。
【００２２】
図６は、Ｆｅ系部材Ａ₁ の２次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真であり、図７は図６の概略写図である。その２次熱処理組織は、α相よりなるマトリックス、多数の微細粒状炭化物（主としてＦｅ₃ Ｃ）、多数の塊状析出γ相等より構成される。
【００２３】
この２次熱処理組織において、微細炭化物である微細粒状炭化物はＦｅ系部材Ａ₁ のヤング率向上に寄与する。この場合、１μｍ² 当りの微細粒状炭化物の平均個数は１．０５個以上であることが望ましい。この微細粒状炭化物量は、金属顕微鏡等による金属組織の画像解析を行って、１μｍ² 当りの微細粒状炭化物の数を複数箇所について求め、それらの平均値を算出する、といった方法で求められた。２次熱処理組織に前記微細な短繊維状炭化物が含まれる場合にはそれもＦｅ系部材Ａ₁ のヤング率向上に寄与する。
【００２４】
また析出γ相は不純物を取籠めてＦｅ系部材Ａ₁ の靱性向上に寄与し、そのためには析出γ相の含有量ｄはｄ≧０．８ｗｔ％であることが望ましい。この析出γ相の含有量ｄは、Thermo-Calc 等の熱力学データベースを用いて、状態図から析出γ相を算出する、といった方法で求められた。
【００２５】
両Ｆｅ系部材Ａ₁ ，Ｂについて、前記方法により１μｍ² 当りの微細粒状炭化物の平均個数および析出γ相の含有量ｄを求め、また引張り試験を行って、それらの引張強さおよびヤング率を求め、さらにシャルピー衝撃試験を行ってシャルピー衝撃値を求めたところ、表３の結果を得た。表中、Ｆｅ系部材Ａ₂ については後述する。
【００２６】
【表３】

【００２７】
表３から明らかなように、実施例によるＦｅ系部材Ａ₁ は、比較例によるＦｅ系部材Ｂに比べて、ヤング率が約１．２倍、またシャルピー衝撃値が約４．７倍、さらに強度が約１．２倍それぞれ向上しており、したがって高ヤング率、高靱性および高強度を兼備することが判る。
【００２８】
〔II〕加熱温度Ｔ₁ をＴ₁ ＞Ｔ_L に設定した実施例
前記表１のＦｅ系素材ａ₁ を用い、図８に示すように加熱温度Ｔ₁ ＝１５００℃（Ｔ₁ ＞Ｔ_L ＝１４５９℃）にて溶解、次いで急冷（ＣＲ：１３００℃／min ）を行い、その後Ｆｅ系部材Ａ₁ の場合と同様の第２工程を行ってＦｅ系部材Ａ₂ を製造した。このＦｅ系部材Ａ₂ は、検鏡の結果、前記Ｆｅ系部材Ａ₁ の２次熱処理組織と同様の熱処理組織を有していることが判明した。
【００２９】
Ｆｅ系部材Ａ₂ について前記同様に１μｍ² 当りの微細粒状炭化物の平均個数等について調べたところ、前記表３の結果を得た。表３より、Ｆｅ系部材Ａ₂ は、Ｆｅ系部材Ａ₁ に比べ靱性が低いことを除いてそのＦｅ系部材Ａ₁ と略同様の特性を有することが判る。
【００３０】
〔III 〕加熱温度Ｔ₁ をＴ_A ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_S に設定した実施例
前記表１のＦｅ系素材ａ₁ ，ａ₂ ，ａ₃ を用い、また表４、図９〜１１に示す条件にて第１，第２工程を行って、Ｆｅ系素材ａ₁ ，ａ₂ ，ａ₃ にそれぞれ対応するＦｅ系部材Ａ₃ ，Ａ₄ ，Ａ₅ を製造した。
【００３１】
【表４】

【００３２】
これらのＦｅ系部材Ａ₃ 〜Ａ₅ は、検鏡の結果、前記Ｆｅ系部材Ａ₁ の２次熱処理組織と略同様の２次熱処理組織を有していることが判明した。
【００３３】
Ｆｅ系部材Ａ₃ 〜Ａ₅ について前記同様に１μｍ² 当りの微細粒状炭化物の平均個数等について調べたところ、表５の結果を得た。
【００３４】
【表５】

【００３５】
表５より、Ｆｅ系部材Ａ₃ はＦｅ系部材Ａ₁ と略同様の特性を有することが判る。Ｆｅ系部材Ａ₄ ，Ａ₅ は高ヤング率ではあるが、靱性が低い。ただし、この程度の靱性を持っていれば、使用条件にもよるが、実用上支障ないと思われる。
【００３６】
前記〔Ｉ〕の実施例のように、Ｆｅ系素材の加熱温度Ｔ₁ をＴ_S ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_L に設定して急冷を行う第１工程は、固相と液相とが共存する半溶融状態のＦｅ系素材を、熱伝導性の良い金型に加圧充填するチクソキャスティングに相当するので、本発明には、前記のようなチクソキャスティングを行った後、前記第２工程を行う製造方法も包含される。
【００３７】
また前記〔II〕の実施例のように、Ｆｅ系素材の加熱温度Ｔ₁ をＴ₁ ＞Ｔ_L に設定して急冷を行う第１工程は、溶湯を熱伝導性の良い金型に注入する鋳造法に相当するので、本発明には、前記のような鋳造を行った後、前記第２工程を行う製造方法も包含される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のような特定の手段を採用すること（即ち前記した特定の第１，第２工程を順次行うこと）によって、第１工程を経たＦｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようになり、その２次熱処理組織において、微細粒状炭化物はＦｅ系部材のヤング率向上に寄与し、また析出γ相はＦｅ系部材の靱性向上に寄与するものであり、これにより、高ヤング率で、且つ高靱性、若しくは実用上必要な靱性を具備したＦｅ系部材を量産することができる。また特に本発明のＦｅ系素材の組成において、Ｎｉは、第２工程の加熱温度の設定範囲を拡張する上で 顕著な効果を発揮するばかりか、γ相生成元素となって、常温下で析出γ相を僅かに存在させてそこに不純物を取籠むことができ、これによりＦｅ系部材の靱性を向上させる効果を有するものであり、この場合に、Ｎｉ含有量がＮｉ＜０．５ｗｔ％では前記両効果を得ることができず、一方、Ｎｉ＞１．５ｗｔ％に設定しても、第２工程の加熱温度の設定範囲の拡張量は変わらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｆｅ系素材の状態図の要部を示す。
【図２】 Ｆｅ系部材Ａ₁ を得るための熱サイクルを示す。
【図３】 Ｆｅ系部材Ｂを得るための熱サイクルを示す。
【図４】 Ｆｅ系素材ａ₁ の１次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真である。
【図５】 図４の概略写図である。
【図６】 Ｆｅ系部材Ａ₁ の２次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真である。
【図７】 図６の概略写図である。
【図８】 Ｆｅ系部材Ａ₂ を得るための熱サイクルを示す。
【図９】 Ｆｅ系部材Ａ₃ を得るための熱サイクルを示す。
【図１０】 Ｆｅ系部材Ａ₄ を得るための熱サイクルを示す。
【図１１】 Ｆｅ系部材Ａ₅ を得るための熱サイクルを示す。

Claims (3)

1. ０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％、
   Ｓｉ＜２．２ｗｔ％、
   ０．９ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．７ｗｔ％、
   ０．５ｗｔ％≦Ｎｉ≦１．５ｗｔ％
   および不可避不純物を含む残部Ｆｅ
   よりなるＦｅ系素材の固相線温度がＴ_S であり、また液相線温度がＴ_L であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₁ をＴ_S ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_L に、また冷却条件を、冷却速度ＣＲが２５０℃／ min 以上の急冷にそれぞれ設定した熱処理を施す第１工程と、
   前記Ｆｅ系素材の共析変態開始温度がＴｅ１であり、また共析変態終了温度がＴｅ２であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₂ をＴｅ１＜Ｔ₂ ＜Ｔｅ２に、また加熱時間ｔを６０min ≦ｔ≦１８０min にそれぞれ設定した熱処理を施した後、空冷するようにして、前記第１工程を経た前記Ｆｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようにした第２工程と
   を順次行うことを特徴とする、高ヤング率Ｆｅ系部材の製造方法。
2. ０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％、
   Ｓｉ＜２．２ｗｔ％、
   ０．９ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．７ｗｔ％、
   ０．５ｗｔ％≦Ｎｉ≦１．５ｗｔ％
   および不可避不純物を含む残部Ｆｅ
   よりなるＦｅ系素材の液相線温度がＴ_L であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₁ をＴ₁ ＞Ｔ_L に、また冷却条件を、冷却速度ＣＲが２５０℃／ min 以上の急冷にそれぞれ設定した処理を施す第１工程と、
   前記Ｆｅ系素材の共析変態開始温度がＴｅ１であり、また共析変態終了温度がＴｅ２であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₂ をＴｅ１＜Ｔ₂ ＜Ｔｅ２に、また加熱時間ｔを６０min ≦ｔ≦１８０min にそれぞれ設定した熱処理を施した後、空冷するようにして、前記第１工程を経た前記Ｆｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようにした第２工程と
   を順次行うことを特徴とする、高ヤング率Ｆｅ系部材の製造方法。
3. ０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％、
   Ｓｉ＜２．２ｗｔ％、
   ０．９ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．７ｗｔ％、
   ０．５ｗｔ％≦Ｎｉ≦１．５ｗｔ％
   および不可避不純物を含む残部Ｆｅ
   よりなるＦｅ系素材のＡｃｍ線温度がＴ_A であり、また固相線温度がＴ_S であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₁ をＴ_A ＜Ｔ₁ ＜Ｔ_S に、また冷却条件を、冷却速度ＣＲが２５０℃／ min 以上の急冷にそれぞれ設定した熱処理を施す第１工程と、
   前記Ｆｅ系素材の共析変態開始温度がＴｅ１であり、また共析変態終了温度がＴｅ２であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ₂ をＴｅ１＜Ｔ₂ ＜Ｔｅ２に、また加熱時間ｔを６０min ≦ｔ≦１８０min にそれぞれ設定した熱処理を施した後、空冷するようにして、前記第１工程を経た前記Ｆｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようにした第２工程と
   を順次行うことを特徴とする、高ヤング率Ｆｅ系部材の製造方法。

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