JP4264587B2 - 超細粒鋼およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高強度の超細粒鋼と量産性に優れたその製造方法に関するものである。

最近、鉄鋼材料の飛躍的な強靱化を実現する技術として、平均結晶粒径を１μm未満にまで微細化した、いわゆる超細粒鋼の研究が活発化している。超細粒鋼を得る手法の一つであるメカニカルミリング法は、平均結晶粒径が十数nmにも達するナノ結晶組織を有する鉄鋼粉末を作製できる。このようにして得られた鉄鋼粉末を高温で焼結して超細粒鋼を生産しようとすると、ナノ結晶組織が急速に粒成長を起こしてしまう。従って、粒成長を如何に抑制しつつこの鉄鋼粉末を固化成形するかが、超細粒鋼を生産する上で重要な技術課題となる。

粒成長を抑制しつつ固化成形する方法として、例えば、特開２０００−１７３６８号公報には、メカニカルミリング処理した鋼粉末を空間を設けた鋼片の中に充填し、内部を真空ポンプ等で長時間吸引した上で溶接して密閉し、この鋼片に熱間圧延を施すことによってバルク材を製造する方法が開示されている。

また、後記「非特許文献１」には、上記と同様の方法にて鋼製パイプ中にメカニカルミリング処理した鋼粉末を充填した後、このパイプを前方押し出し加工することによりバルク化する方法も開示されている。この他にも、同様に容器内に封入したメカニカルミリング粉末を粒成長が顕著に起こらない比較的低温領域で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施して固化成形する方法や、メカニカルミリング粉末を直接ホットプレス装置をより加圧焼結する方法などが実施されている。

しかし、これらの方法は鋼片への鋼粉末の充填作業や、固化成形後の鋼片の除去作業に長時間を要すること、あるいはＨＩＰ処理やホットプレスでは固化成形そのものに長時間を要することから、量産性に優れた方法とはいえない。

上記の背景のもとに、本発明者らは、メカニカルミリング処理した鋼製粉末を安価に且つ高い生産性で固化成形して強靭な鉄鋼材料を製造する方法の開発に取り組んできた。その成果として、すでに特開２００４-１３１８２２号公報において、メカニカルミリング処理を施した鋼粉末に有機物からなるバインダーを少量混合して室温で加圧成形した成形体を温間あるいは熱間の温度域に加熱した後、直ちに密閉あるいは半密閉型の鍛造型に挿入して粉末鍛造する方法を開発している。

しかし、この方法で得られる超細粒鋼の強度は引張強さで1500MPa程度のものであった。すなわち、特開２００４-１３１８２２号公報の実施例に示した通り、冷間成形体をアルゴンガス気流中で所定の温度に加熱した後、直ちに図３に示すような半密閉型を用いて、粉末鍛造する方法によって固化成形した超細粒鋼の引張強さは、最高で1489MPaであった。この強度は鉄鋼材料の強度として高い値ではあるが、さらに一層の高強度化が望まれる。

特開２０００−１７３６８号公報 特開２００４−１３１８２２号公報 特開２０００−１７４０５号公報 坂本伸太郎、川崎憲治、土井聡宏、高木節雄共著：「材料とプロセス」Ｖｏｌ．１５(2002年)、１２１６頁 S.Takaki、Y. Kimura共著：「Journal of Japan Society of Powder and Powder Metallurgy」Ｖｏｌ．４６（1999年）、１２３５頁 Y. Sakai, M. Outaguchi, Y. Kimura, K. Tsuzaki共著：「Ultra Fine Grained Materials」 R.S. Mishra et al編集（2000年）３６１頁

メカニカルミリング粉末を固化成形して強靭な超細粒鋼を製造するためには、高温での粒成長をいかに抑制するかが重要な課題となる。固化成形温度が低いほど粒成長を抑制することができて高強度のバルク材が製造できるが、一方で固化成形温度が低すぎると粉末粒子同士の結合が十分でなくなり、粉末粒子の界面から脆性的に破断するようになる。したがって、より高強度の超細粒鋼を得るには、できるだけ低い温度で粉末粒子同士を十分に結合させる固化成形法を開発することが肝要である。

本発明者らがさらに研究を重ねた結果、より低温で固化成形するには、前方押し出し加工が適しているとの結論に至った。上述した半密閉鍛造では鍛造時に生じる高い静水圧によって粉末粒子が接合されるのに対して、前方押し出し加工では、高い静水圧成分に加えて、押し出し方向に沿って強い塑性流動が生じるために、粉末粒子同士をより低温で強固に接合できると考えられる。

しかし、従来の粉末の前方押し出し加工では、粉末を容器に充填した後、容器内部を真空状態にして密閉するなどの前処理を施す必要があり、この充填作業や固化成形後の容器の除去作業などに長時間を要することから、量産性に優れたものとは言い難い。

本発明は、メカニカルミリング粉末をより低温域で、安価にかつ高い生産性で固化成形することにより超細粒鋼を製造する技術を提案するものである。

上記の欠点を克服するために研究を重ねた結果、適切な結合剤によって成形された粉末のみからなる冷間成形体、あるいは図２に示すように底部（即ち押し出し方向に向かって先端部分）に当て金を配置した円柱状等の所定形状の冷間成形体を作製して、これを押し出し加工することにより、高強度の超細粒鋼を製造できることを見出した。

この場合、粉末のみからなる冷間成形体を用いても押し出し加工による固化成形は可能であるが、より歩留まりを向上させるためには、図２に示すような当て金を配置しても良い。この方法によれば、メカニカルミリング粉末を容器中に封入する作業や、押し出し加工後に容器を除去する作業が必要ないので、効率よく固化成形することが可能である。

本発明によれば、鋼製容器への粉末の充填、あるいは鋼製容器の除去作業などの行程を省略して、効率よく前方押し出し加工を実施することが可能になり、超細粒鋼の生産性が向上する。

また、押し出し加工によって、より低温で粉末同士を強固に接合できるので、引張強さが後記するように最大で約２４００ＭＰaにも達する超高強度の超細粒鋼を製造することができる。

ナノ結晶組織を付与された鉄鋼粉末を得る手段として、遊星ボールミルや振動ボールミルなどが有力であり、これによって得られる鉄鋼粉末は、一般的に粉末粒子の直径が数μm〜数十μm程度であって、１個の粉末内部の平均結晶粒径が100nm未満のいわゆるナノ結晶組織を呈している。ナノ結晶組織を付与された粉末を高温で固化成形する時には、加熱中にナノ結晶組織が粒成長を起こすので、これを抑制するために種々の冶金学的な工夫がなされている。

代表的な例としては、第２相粒子を分散させて粒成長を抑制する方法である。例えば、前記した「非特許文献２」及び「非特許文献３」には、鉄粉末に含まれる酸素と鉄原子が結合して形成されるFe３O４を分散させることによりナノ結晶組織の粒成長が抑制されることが示されている。

また、特開２０００-１７４０５号公報には、鋼粉末にあらかじめ適量のSiO２、MnO、TiO２、Cr２O３、Al２O３、CaO、TaO、Y２O３などの鉄中で化学的に安定な金属酸化物を混合した原料粉にメカニカルミリング処理を施すことにより、これらの酸化物をいったん分解した後、固化成形時の加熱中に均一微細に再析出させる方法が示されている。

あるいは、本発明者らの提案に係る前述の特開２００４-１３１８２２号公報で示したように、酸素との親和性の強いチタンと酸素をメカニカルミリング時に適量混合し、固化成形時の加熱中にチタン酸化物を均一微細に分散させる方法もある。

本発明においては、鋼粉末の化学組成に特定の制約はなく、ナノ結晶組織を有する鋼粉末であれば、純鉄、炭素鋼、あるいは種々の合金元素を添加した鉄基合金粉末など任意である。また、ナノ結晶組織を付与させる手段は、メカニカルミリング処理に限定されるものではなく、上述の特徴を有する鋼粉末を製造できれば、その他の手段でも構わない。

次に、本発明においてナノ結晶組織を付与された粉末を前方押し出し加工により固化成形する手順を図１に従って説明する。

まず、前方押し出し加工に先立って、ナノ結晶組織を付与された鋼粉末を室温で加圧成形する。ナノ結晶組織は強度が極めて高い（HV700〜HV900程度）ので、従来の粉末冶金法のように鋼粉末を塑性変形させて成形体を作製することができない。そのため、成形時の加圧力は100MPa程度の低圧力とし、バインダーの結合力のみによって成形する。このためには、少量でも結合力の高いバインダー、例えばメチルセルロース水溶液などを少量添加するのが望ましい。成形体は粉末のみでも構わないし、図２に示すように成形体の先端部分（底部）に当て金を装着しても良い。

この当て金は、後述するように前方押し出しの時に先端部分に拘束力を与えて固化成形の歩留まりを向上する役割を持つ。この当て金は、加工性に富んだ緻密なバルク材であって、成形体と反応して不都合な化合物などを生成しない材料であれば特に指定はしないが、具体的には溶製材の低炭素鋼が好ましい。

また、当て金の形状は円柱状成形体と同じ直径であり、前方押し出し時に破損しない程度の厚みがあれば、特に制限はない。ただし、粉末から簡単には外れないようにするため、例えば図２に示すように、粉末と接する面に断面コ字形等のくぼみ加工を施すなどの工夫が必要である。実際の成形では、まず、成形用金型内底部に当て金を置き、続いてバインダーを添加した粉末を充填して、上部からポンチで加圧する。バインダーによる接着力と当て金のくぼみ加工により、当て金と粉末が一体となった成形体ができる。

次に、この加圧成形した成形体を所定の温度で加熱する。加熱中の粉末粒子表面の酸化を抑制するため、加熱炉内には不活性ガスなどを流す構造にして非酸化性雰囲気とする。加熱温度は粒成長を抑制するためには低温である方が望ましい。しかし、あまり低温ではその後の押し出し加工時に粉末粒子同士の結合が十分に起こらないので、高強度のバルク材を得ることができない。従って、加熱温度は緻密かつ高強度なバルク材を得るために極めて重要な因子である。これまでの研究の結果、固化成形温度は５８０℃程度までが好ましい。また、炭素鋼粉末を固化成形する場合には、加熱温度をA1変態点である727℃未満にすることが重要である。その理由は、ナノ結晶組織を付与された炭素鋼粉末をA1変態点を超える温度に加熱すると、bcc構造であるフェライト相からfcc構造であるオーステナイト相への変態に伴って、急速に粒成長が起こり超細粒鋼を得ることができないためである。以上のことより、加熱温度は７００℃以下、５８０℃程度の範囲が好ましい。なお、加熱時間は成形体が均一に所定の温度になるために十分な時間保持すればよい。

次いで、加熱した成形体を加熱炉から取り出して、直ちに型に挿入し前方押し出し加工を施す。適切な押し出し比を設定することにより、粉末粒子間に圧縮応力が付与される共に、押し出し方向に沿って強い塑性流動が生じるので粉末粒子同士が強固に結合される。粉末のみからなる成形体を押し出し加工しても固化成形することは可能であるが、押し出される材料の先端部分では、押し出し方向に沿って発生する引張応力のため、粉末粒子同士が十分に結合されず、歩留まりが低下する。これに対して、図２に示したように、成形体の先端部分に当て金が装着されていれば、押し出される材料の先端部分に拘束力が発生し、引張応力が発生しないので粉末が崩壊することはなく固化成形できる。なお、加熱炉から取り出した成形体を冷えた型に挿入すると急激に温度が低下するので、型を概ね１５０℃以上に予熱しておく方がよい。

このようにして、前方押し出し加工によって高強度の超細粒鋼を効率よく生産することが可能になる。

まず、化学組成がFe-0.1mass%Ti-0.4mass%Oになるように、カーボニル鉄粉、Fe２O３粉末、フェロチタン（Fe-42.1%Ti）粉末を混合した原料粉末に高速遊星ボールミルを用いてメカニカルミリング処理を施した。また、これとは別にFe-0.8%Cとなるように、カーボニル鉄粉と炭素粉末を混合した原料粉末も同様にメカニカルミリング処理した。これらの化学組成のうち、前者は本発明者らが前述の特開２００４-１３１８２２号公報で提案したものであり、加熱中にチタン酸化物が均一微細に析出して、ナノ結晶組織の粒成長を抑制する効果がある。また、後者の化学組成はごく普通の炭素鋼の代表的化学組成として選択した。メカニカルミリング処理は、容積200mlのステンレス鋼(SUS304)製ミルポット内に、直径が約10mmの軸受け鋼（SUJ2）製ボールと原料粉末を重量比で１０：１になるように充填し、ミルポット内部をアルゴンガスに置換して実施した。処理時間は１００時間である。

次に、メカニカルミリング処理した粉末をふるいにかけて、粉末粒子径が90μm未満の粉末のみを採取した。採取したメカニカルミリング処理粉末にバインダーとして1.5mass%メチルセルロース水溶液を6mass%混合した。成形は、直径25mmの円柱状成形金型内に同じ直径で厚さが2mmの炭素鋼の当て金（S15C）を配置し、その上からバインダーを混合した粉末を充填して加圧力100MPaで実施した。これにより、当て金と粉末が一体化した成形体が得られた、この成形体はメチルセルロースに含まれる水分を蒸発させるために６０℃で約30分間乾燥した。
続いて乾燥した成形体をアルゴン雰囲気で非酸化性雰囲気とした加熱炉に挿入して表１に示すように５８０℃〜８００℃の種々の温度で３０分加熱した。

加熱された成形体を加熱炉から大気中に取り出した後、直ちに、１５０℃程度に予熱された前方押し出し型に挿入して押し出し加工した。加熱炉から成形体を取り出してから鍛造完了までの所要時間は約２秒程度である。押し出し加工に用いた型は、入り口の直径が26mm、出口の直径が8mmであり、断面減少率は約９０％である。

押し出し加工により得られた直径8mmの棒状素材から平行部径が4mm、標点間距離が14mmの前記加熱温度により異なる１０種類の引張試験片（試料No.１〜１０）に加工して、室温における引張特性を評価した。その結果を表１に示す。

本発明によって作製された超細粒鋼は、表１に示すように最高で２４９０MPaにも達する極めて高い引張強さを示すと共に、十分な絞りを示して破断に至っていることから、緻密で強靱な超細粒鋼であることが分かる。また、図５（金属組織の電子顕微鏡写真）に示すように、これらのバルク材は、結晶粒径が１μmを下回る超細粒鋼であり、本発明によって高強度の超細粒鋼を効率よく製造することが可能である。

本発明による超細粒鋼の製造方法のフロー図である。 本発明による超細粒鋼の製造方法の好適な一工程を示す説明図である。 従来技術による超細粒鋼の製造方法の一工程を示す説明図である。 表１に示した試料No.６及びNo.１０の公称応力と公称歪みとの関係を示すグラフである。 本発明によって得られる超細粒鋼の金属組織の電子顕微鏡写真である。

Claims (3)

1. ナノ結晶組織を付与された鉄鋼粉末に適量の結合剤を添加して所定形状に成形した冷間成形体を作製し、これをそのまま非酸化性雰囲気で７００℃以下の温度に加熱した後、直ちに押し出し加工を施すことにより固化成形することを特徴とする超細粒鋼の製造方法。
2. ナノ結晶組織を付与された鉄鋼粉末に適量の結合剤を添加して所定形状に成形した冷間成形体を作製し、これをそのまま非酸化性雰囲気で７００℃以下の温度に加熱した後、直ちに押し出し加工を施すことにより固化成形して製造される引張強さ１８００ＭＰa以上の超細粒鋼。
3. 前記冷間成形体の作製に際しては、成形すべき鉄鋼粉末の底部に当て金を配置してなる請求項２記載の超細粒鋼。

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