JP6937495B2 - High-rigidity Fe-based alloy - Google Patents
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Description
本発明は、高剛性Ｆｅ基合金に関し、特に、乗用車用ターボチャージャのシャフト材等として用いるのに好適な、高剛性であり、かつ耐力が高く、延性が良好なＦｅ基合金に関する。 The present invention relates to a high-rigidity Fe-based alloy, and more particularly to a Fe-based alloy having high rigidity, high proof stress, and good ductility, which is suitable for use as a shaft material for a passenger car turbocharger or the like.
近年、乗用車等に搭載されるターボチャージャなど回転運動を利用する機械では、性能向上のため、高速回転を可能とすることが求められている。そのため、例えばターボチャージャの場合には、タービンホイール、コンプレッサーホイールなどを取り付けるシャフト材の剛性向上が求められている。 In recent years, machines that utilize rotational motion, such as turbochargers mounted on passenger cars, are required to be capable of high-speed rotation in order to improve performance. Therefore, for example, in the case of a turbocharger, it is required to improve the rigidity of the shaft material to which the turbine wheel, the compressor wheel and the like are attached.
シャフト材の剛性が向上すると、高速回転時の振れが小さくなるため、タービンホイールがハウジングと接触することが低減される。また、共振周波数が高くなるため、高速回転しても共振が抑制されるなどのメリットがある。 When the rigidity of the shaft material is improved, the runout at high speed rotation is reduced, so that the turbine wheel is less likely to come into contact with the housing. In addition, since the resonance frequency is high, there is an advantage that resonance is suppressed even when rotating at high speed.
高剛性の材料を開発するための従来の試みとしては、例えば、以下の特許文献１および２が挙げられる。特許文献１では、鉄を主成分とするマトリックス相中に４Ａ族（チタン族）元素のホウ化物を主成分とする強化相が分散しており、ヤング率が２３０ＧＰａ以上で耐力（０．２％耐力）が４５０ＭＰａ以上である鉄基複合材料からなる高剛性部をもつことを特徴とする回転軸部材が提案されている。また、特許文献２では、鉄または鉄合金よりなるマトリックスと、マトリックス中に分散保持された４Ａ族元素のホウ化物と、を含む高剛性鋼において、マトリックスに分散される４Ａ族元素のホウ化物および他のホウ素を含む化合物ならびに４Ａ族元素を含む金属間化合物を調整することが提案されている。
Conventional attempts to develop a highly rigid material include, for example, the following
シャフト材の剛性は、材料のヤング率によって表すことができ、このヤング率の値が高いことが最も重要な特性のひとつである。また、シャフト材に求められるその他の性能としては、例えば、以下の点が挙げられる：１）耐力が高いこと；回転速度が上がるとシャフトに負荷される応力も大きくなる。また、シャフトは弾性域で使用する必要がある。従って、より高速での回転に伴う負荷応力増加に対応するためには、シャフト材の耐力（即ち弾性応力域）が高い必要がある。２）ある程度の延性を有すること；製造中の切削加工性向上や製品の信頼性確保のため、一定の延性が必要である。３）溶解、圧延法等の汎用的な製造方法で製造できること；シャフトなどの対象製品は、一般に大量生産品であるため、粉末冶金などの高コストな製造方法によって製造した場合には製品コストが高くなり、商品の価格競争力が低下する。 The rigidity of the shaft material can be expressed by the Young's modulus of the material, and a high value of this Young's modulus is one of the most important characteristics. Other performances required of the shaft material include, for example, the following points: 1) High yield strength; As the rotation speed increases, the stress applied to the shaft also increases. Also, the shaft needs to be used in the elastic range. Therefore, in order to cope with the increase in load stress due to rotation at a higher speed, the proof stress (that is, elastic stress range) of the shaft material needs to be high. 2) Must have a certain degree of ductility; a certain degree of ductility is required to improve machinability during manufacturing and ensure product reliability. 3) It can be manufactured by a general-purpose manufacturing method such as melting and rolling; since the target product such as a shaft is generally a mass-produced product, the product cost will be high if it is manufactured by a high-cost manufacturing method such as powder metallurgy. It will be higher and the price competitiveness of the product will decrease.
しかしながら、特許文献１、２のような従来の高剛性材料では、剛性に優れる一方で、切削加工性に著しく劣るという問題点があった。この点は、特許文献３でも指摘されており、材料中のホウ化物の体積率が多過ぎることが原因であると考えられる。また、従来の高剛性材料の製造方法は粉末冶金法に限られていたため、製品コストが高くなり、シャフトなどの製品の価格競争力が低下することが懸念されていた。
However, conventional high-rigidity materials such as
本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、溶解、圧延法等の汎用的な製造方法で製造可能であり、高剛性であり、かつ耐力が高く、延性が良好なＦｅ基合金を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances. That is, an object of the present invention is to provide an Fe-based alloy that can be manufactured by a general-purpose manufacturing method such as a melting method or a rolling method, has high rigidity, has high proof stress, and has good ductility.
上記の目的を達成するために、本発明の一局面では、Ｃｒ：０〜３７．５ａｔ％、Ｍｏ：０〜８．０ａｔ％、Ｗ：０〜３．５ａｔ％、Ｔｉ：０〜５．０ａｔ％、Ｓｉ：０〜７．０ａｔ％、Ｃ：０〜４．０ａｔ％、Ｂ：０〜１０．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、式（１）：Ｐ１＝０．２［％Ｃｒ］＋０．７５［％Ｃ］＋１．５［％Ｂ］＋２［％Ｗ］（式（１）中、［％Ｃｒ］、［％Ｃ］、［％Ｂ］、［％Ｗ］は、Ｃｒ、Ｃ、Ｂ、Ｗの配合比（ａｔ％）を意味する）によって求められる合金指数Ｐ１が１２．０〜２０．５の範囲内であり、かつ式（２）：Ｐ２＝［％Ｍｏ］＋２．５［％Ｗ］＋０．５［％Ｓｉ］＋０．５［％Ｔｉ］（式（２）中、［％Ｍｏ］、［％Ｗ］、［％Ｓｉ］、［％Ｔｉ］は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉの配合比（ａｔ％）を意味する）によって求められる合金指数Ｐ２が６．５〜１２．０の範囲内であることを特徴とするＦｅ基合金が提供される。
上記Ｆｅ基合金は、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｂからなる群より選択される少なくとも２種の元素を含有することが好ましい。
また、上記Ｆｅ基合金は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも２種の元素を含有することが好ましい。
また、上記Ｆｅ基合金は、ＣｒおよびＢを必須元素として含有することが好ましい。
In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention, Cr: 0 to 37.5 at%, Mo: 0 to 8.0 at%, W: 0 to 3.5 at%, Ti: 0 to 5.0 at. %, Si: 0 to 7.0 at%, C: 0 to 4.0 at%, B: 0 to 10.0 at%, the balance consists of Fe and unavoidable impurities, and the formula (1): P 1 = 0.2. [% Cr] +0.75 [% C] +1.5 [% B] +2 [% W] (in formula (1), [% Cr], [% C], [% B], [% W] are , Cr, C, B, W (meaning at%)), the alloy index P 1 is in the range of 12.0 to 20.5, and the formula (2): P 2 = [ % Mo] +2.5 [% W] +0.5 [% Si] +0.5 [% Ti] (in formula (2), [% Mo], [% W], [% Si], [% Ti] Provided is an Fe-based alloy characterized in that the alloy index P 2 determined by the blending ratio (at%) of Mo, W, Si, and Ti is in the range of 6.5 to 12.0. Will be done.
The Fe-based alloy preferably contains at least two elements selected from the group consisting of Cr, W, C and B.
Further, the Fe-based alloy preferably contains at least two kinds of elements selected from the group consisting of Mo, W, Si and Ti.
Further, the Fe-based alloy preferably contains Cr and B as essential elements.
本発明によれば、溶解、圧延法等の汎用的な製造方法で製造可能であり、高剛性であり、かつ耐力が高く、延性が良好なＦｅ基合金が提供される。 According to the present invention, there is provided an Fe-based alloy that can be manufactured by a general-purpose manufacturing method such as a melting or rolling method, has high rigidity, has high proof stress, and has good ductility.
まず、本発明のＦｅ基合金の組成およびその配合比について説明する。
本発明のＦｅ基合金において、鉄（Ｆｅ）は基本的な構成元素である。
First, the composition of the Fe-based alloy of the present invention and the compounding ratio thereof will be described.
In the Fe-based alloy of the present invention, iron (Fe) is a basic constituent element.
クロム（Ｃｒ）は、母相のヤング率を向上させ、Ｆｅ基合金の剛性を高める。合金作製時におけるＣｒの配合比は、０ａｔ％以上３７．５ａｔ％以下が好ましい。Ｃｒの配合比が３７．５ａｔ％を超えると、Ｆｅ基合金の延性が低下する場合がある。
好ましい実施形態において、本発明のＦｅ基合金は、Ｃｒを必須元素として含有する。Ｃｒの配合比は、少なくとも０．１ａｔ％以上であることがより好ましく、１２．０ａｔ％以上であることがさらにより好ましい。また、Ｃｒの配合比は、３５．０ａｔ％以下であることがより好ましく、３２．５ａｔ％以下であることがさらにより好ましく、３０．０ａｔ％以下であることがさらに一層好ましく、２５．０ａｔ％以下であることがなおさらに一層好ましい。
Chromium (Cr) improves the Young's modulus of the matrix and increases the rigidity of the Fe-based alloy. The blending ratio of Cr at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 37.5 at% or less. If the blending ratio of Cr exceeds 37.5 at%, the ductility of the Fe-based alloy may decrease.
In a preferred embodiment, the Fe-based alloy of the present invention contains Cr as an essential element. The blending ratio of Cr is more preferably at least 0.1 at% or more, and even more preferably 12.0 at% or more. Further, the compounding ratio of Cr is more preferably 35.0 at% or less, further preferably 32.5 at% or less, further preferably 30.0 at% or less, and 25.0 at%. The following is even more preferable.
モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびチタン（Ｔｉ）は、これらの元素を配合することにより析出物を生成させ、Ｆｅ基合金の強度を高める。合金作製時におけるＭｏの配合比は、０ａｔ％以上８．０ａｔ％以下が好ましい。合金作製時におけるＷの配合比は、０ａｔ％以上３．５ａｔ％以下が好ましい。合金作製時におけるＴｉの配合比は、０ａｔ％以上５．０ａｔ％以下が好ましい。Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉの配合比がそれぞれ上記の値を超えると、Ｆｅ基合金の延性が低下する場合がある。 Molybdenum (Mo), tungsten (W) and titanium (Ti) form precipitates by blending these elements to increase the strength of the Fe-based alloy. The blending ratio of Mo at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 8.0 at% or less. The blending ratio of W at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 3.5 at% or less. The blending ratio of Ti at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 5.0 at% or less. If the blending ratios of Mo, W, and Ti exceed the above values, the ductility of the Fe-based alloy may decrease.
ケイ素（Ｓｉ）は、母相の固溶強化に寄与する。合金作製時におけるＳｉの配合比は、０ａｔ％以上７．０ａｔ％が好ましい。Ｓｉの配合比が７．０ａｔ％を超えると、Ｆｅ基合金の延性が低下する場合がある。 Silicon (Si) contributes to the solid solution strengthening of the matrix. The compounding ratio of Si at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 7.0 at%. If the compounding ratio of Si exceeds 7.0 at%, the ductility of the Fe-based alloy may decrease.
炭素（Ｃ）およびホウ素（Ｂ）は、これらの元素を配合することによる析出物の生成により母相のヤング率を向上させ、Ｆｅ基合金の剛性を高める。合金作製時におけるＣの配合比は、０ａｔ％以上４．０ａｔ％以下が好ましい。合金作製時におけるＢの配合比は、０ａｔ％以上１０．０ａｔ％以下が好ましい。Ｃ、Ｂの配合比がそれぞれ上記の値を超えると、Ｆｅ基合金の延性が低下する場合がある。
好ましい実施形態において、本発明のＦｅ基合金は、Ｂを必須元素として含有する。Ｂの配合比は、少なくとも０．１ａｔ％以上であることがより好ましく、３．０ａｔ％以上であることがさらにより好ましい。
Carbon (C) and boron (B) improve the Young's modulus of the matrix by forming precipitates by blending these elements, and increase the rigidity of the Fe-based alloy. The compounding ratio of C at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 4.0 at% or less. The compounding ratio of B at the time of alloy production is preferably 0 at% or more and 10.0 at% or less. If the compounding ratios of C and B exceed the above values, the ductility of the Fe-based alloy may decrease.
In a preferred embodiment, the Fe-based alloy of the present invention contains B as an essential element. The blending ratio of B is more preferably at least 0.1 at% or more, and even more preferably 3.0 at% or more.
本発明のＦｅ基合金は、上記の成分元素の単独での配合効果に加えて、合金作製時にこれらの元素を組み合わせて配合することにより、従来のＦｅ基合金を上回る優れた特性を発揮するものである。即ち、本発明のＦｅ基合金は、以下の式（１）：
Ｐ１＝０．２［％Ｃｒ］＋０．７５［％Ｃ］＋１．５［％Ｂ］＋２［％Ｗ］ ・・（１）
（式（１）中、［％Ｃｒ］、［％Ｃ］、［％Ｂ］、［％Ｗ］は、Ｃｒ、Ｃ、Ｂ、Ｗの配合比（ａｔ％）を意味する）によって求められる合金指数Ｐ１が１２．０〜２０．５の範囲内であり、かつ
以下の式（２）：
Ｐ２＝［％Ｍｏ］＋２．５［％Ｗ］＋０．５［％Ｓｉ］＋０．５［％Ｔｉ］ ・・（２）
（式（２）中、［％Ｍｏ］、［％Ｗ］、［％Ｓｉ］、［％Ｔｉ］は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉの配合比（ａｔ％）を意味する）によって求められる合金指数Ｐ２が６．５〜１２．０の範囲内であることを特徴とする。
The Fe-based alloy of the present invention exhibits superior properties over conventional Fe-based alloys by blending these elements in combination at the time of alloy production, in addition to the effect of blending the above-mentioned component elements alone. Is. That is, the Fe-based alloy of the present invention has the following formula (1):
P 1 = 0.2 [% Cr] +0.75 [% C] +1.5 [% B] +2 [% W] ... (1)
(In the formula (1), [% Cr], [% C], [% B], and [% W] mean the compounding ratio (at%) of Cr, C, B, and W). The index P 1 is in the range of 12.0 to 20.5, and the following equation (2):
P 2 = [% Mo] +2.5 [% W] +0.5 [% Si] +0.5 [% Ti] ... (2)
(In the formula (2), [% Mo], [% W], [% Si], and [% Ti] mean the compounding ratio (at%) of Mo, W, Si, and Ti). The index P 2 is in the range of 6.5 to 12.0.
合金指数Ｐ１は、Ｆｅ基合金の剛性（ヤング率）向上のための指標である。Ｃｒ、Ｗはそれ自体が単体でＦｅより高いヤング率を有しており、また、Ｃ、Ｂはそれぞれ化合物を形成することでＦｅより高いヤング率を示す。本発明を完成させるにあたり、本発明者らは、これらの元素の配合比が単独で好ましい範囲内であっても、Ｆｅ基合金の剛性が従来の材料と同程度であったり、剛性向上効果が比較的小さかったりする場合があることを知見し、後述する実施例で作製した供試材を含む多数の組成について統計的手法を用いて種々検討した結果、各成分元素の配合比（ａｔ％）に特定の係数を設定した式（１）によって得られる値とＦｅ基合金の剛性向上効果との相関関係を見出し、合金指数Ｐ１として上記の範囲を設定するに至った。合金指数Ｐ１が１２．０未満であると、Ｆｅ基合金の剛性向上効果が十分に得られない場合がある。合金指数Ｐ１が２０．５を超えると、Ｆｅ基合金の延性が低下する場合がある。本発明のＦｅ基合金において、合金指数Ｐ１が１２．０〜２０．５の範囲内であれば、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｂは１種単独で配合されていてもよく、２種以上併用して配合されていてもよい。好ましい実施形態において、本発明のＦｅ基合金は、Ｃｒ、Ｗ、Ｃ、Ｂからなる群より選択される少なくとも２種の元素を含有する。 The alloy index P 1 is an index for improving the rigidity (Young's modulus) of the Fe-based alloy. Cr and W themselves have a higher Young's modulus than Fe by themselves, and C and B each show a higher Young's modulus than Fe by forming a compound. In completing the present invention, the present inventors have the same rigidity as the conventional material and the effect of improving the rigidity even if the compounding ratio of these elements is within a preferable range by itself. It was found that the composition may be relatively small, and as a result of various studies using statistical methods for a large number of compositions including the test materials prepared in the examples described later, the compounding ratio (at%) of each component element was obtained. a correlation between the rigidity improvement effect of the values and Fe-based alloys obtained by the equation (1) set the specific coefficients heading has led to the setting of the above range as an alloy index P 1 in. If the alloy index P 1 is less than 12.0, the effect of improving the rigidity of the Fe-based alloy may not be sufficiently obtained. If the alloy index P 1 exceeds 20.5, the ductility of the Fe-based alloy may decrease. In the Fe-based alloy of the present invention, as long as the alloy index P 1 is in the range of 12.0 to 20.5, Cr, W, C, and B may be blended alone or in combination of two or more. May be blended. In a preferred embodiment, the Fe-based alloy of the present invention contains at least two elements selected from the group consisting of Cr, W, C and B.
合金指数Ｐ２は、Ｆｅ基合金の耐力（強度）向上のための指標である。Ｓｉは共有結合原子であり、固溶によるＦｅ基合金の強度向上が期待できる。Ｔｉは炭化物を形成しやすいため、Ｆｅ基合金の強度向上に寄与すると考えられる。また、ＭｏおよびＷはそれ自体が単体でＦｅより高い強度を示す。本発明を完成させるにあたり、本発明者らは、これらの元素の配合比が単独で好ましい範囲内であっても、Ｆｅ基合金の強度が従来の材料と同程度であったり、強度向上効果が比較的小さかったりする場合があることを知見し、後述する実施例で作製した供試材を含む多数の組成について統計的手法を用いて種々検討した結果、各成分元素の配合比（ａｔ％）に特定の係数を設定した式（２）によって得られる値とＦｅ基合金の強度向上効果との相関関係を見出し、合金指数Ｐ２として上記の範囲を設定するに至った。合金指数Ｐ２が６．５未満であると、Ｆｅ基合金の強度向上効果が十分に得られない場合がある。合金指数Ｐ２が１２．０を超えると、Ｆｅ基合金の延性が低下する場合がある。本発明のＦｅ基合金において、合金指数Ｐ２が６．５〜１２．０の範囲内であれば、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉは１種単独で配合されていてもよく、２種以上併用して配合されていてもよい。好ましい実施形態において、本発明のＦｅ基合金は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも２種の元素を含有する。 The alloy index P 2 is an index for improving the proof stress (strength) of the Fe-based alloy. Si is a covalent bond atom, and it can be expected that the strength of the Fe-based alloy will be improved by solid solution. Since Ti easily forms carbides, it is considered to contribute to the improvement of the strength of the Fe-based alloy. In addition, Mo and W themselves exhibit higher strength than Fe by themselves. In completing the present invention, the present inventors have found that the strength of the Fe-based alloy is about the same as that of the conventional material or that the strength is improved even if the compounding ratio of these elements is within a preferable range. It was found that the composition may be relatively small, and as a result of various studies using statistical methods for a large number of compositions including the test materials prepared in the examples described later, the compounding ratio (at%) of each component element was obtained. the correlation between the strength improvement effect of the specific value obtained by the equation (2) set the coefficients and the Fe-based alloy heading, which resulted in the setting of the above range as an alloy index P 2 in. If the alloy index P 2 is less than 6.5, the effect of improving the strength of the Fe-based alloy may not be sufficiently obtained. If the alloy index P 2 exceeds 12.0, the ductility of the Fe-based alloy may decrease. In the Fe-based alloy of the present invention, Mo, W, Si, and Ti may be blended alone or in combination of two or more as long as the alloy index P 2 is within the range of 6.5 to 12.0. May be blended. In a preferred embodiment, the Fe-based alloy of the present invention contains at least two elements selected from the group consisting of Mo, W, Si and Ti.
本発明のＦｅ基合金は、上記の成分元素を所定の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成であるため、乗用車用ターボチャージャのシャフト材等の製品を、溶解、圧延法等の汎用的な製造方法で製造可能である。 Since the Fe-based alloy of the present invention contains the above-mentioned component elements in a predetermined range and the balance is composed of Fe and unavoidable impurities, a product such as a shaft material for a passenger car turbocharger is melted and rolled. It can be manufactured by a general-purpose manufacturing method such as.
次に、本発明のＦｅ基合金の特性とその基準値について説明する。
本発明のＦｅ基合金は、共振法によるヤング率測定試験において２３０ＧＰａ以上のヤング率を示す。現在実用に供されているシャフト材のヤング率は、２０５ＧＰａ程度である。そのため、本発明では、従来の材料よりも優れた剛性を示す基準値として、２３０ＧＰａを設定した。
Next, the characteristics of the Fe-based alloy of the present invention and its reference value will be described.
The Fe-based alloy of the present invention exhibits a Young's modulus of 230 GPa or more in a Young's modulus measurement test by a resonance method. The Young's modulus of the shaft material currently in practical use is about 205 GPa. Therefore, in the present invention, 230 GPa is set as a reference value indicating rigidity superior to that of the conventional material.
本発明のＦｅ基合金は、室温引張試験において７００ＭＰａ以上の耐力を示す。実用に耐え得る材料とする観点からは、例えば特許文献１に記載されるように、設計上の要求等に従って４５０ＭＰａを基準値とすることも可能である。本発明では、近年、より高い耐力を有するシャフト材が求められていることに鑑みて、従来の材料よりも優れた耐力を示す基準値として、７００ＭＰａを設定した。
The Fe-based alloy of the present invention exhibits a proof stress of 700 MPa or more in a room temperature tensile test. From the viewpoint of making a material that can withstand practical use, for example, as described in
本発明のＦｅ基合金は、室温引張試験において１％以上の延性を示す。本発明では、従来の材料よりも優れた切削加工性を有する基準値として、また、使用時の安全性を確保するための目安として、１％を設定した。 The Fe-based alloy of the present invention exhibits a ductility of 1% or more in a room temperature tensile test. In the present invention, 1% is set as a reference value having better machinability than conventional materials and as a guideline for ensuring safety during use.
以上のことを踏まえ、本発明のＦｅ基合金の成分組成について好ましい形態を例示すると以下のとおりである。 Based on the above, examples of preferable forms of the component composition of the Fe-based alloy of the present invention are as follows.
＜組成１＞
Ｃｒ：１５．０ａｔ％、Ｍｏ：３．５ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：２．５ａｔ％、Ｓｉ：５．０ａｔ％、Ｃ：２．０ａｔ％、Ｂ：５．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成１では、合金指数Ｐ１は１２．０であり、合金指数Ｐ２は７．２５である。
<
Cr: 15.0 at%, Mo: 3.5 at%, W: 0 at%, Ti: 2.5 at%, Si: 5.0 at%, C: 2.0 at%, B: 5.0 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the
＜組成２＞
Ｃｒ：１５．０ａｔ％、Ｍｏ：５．０ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：２．５ａｔ％、Ｓｉ：７．０ａｔ％、Ｃ：２．０ａｔ％、Ｂ：５．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成２では、合金指数Ｐ１は１２．０であり、合金指数Ｐ２は９．７５である。
<
Cr: 15.0 at%, Mo: 5.0 at%, W: 0 at%, Ti: 2.5 at%, Si: 7.0 at%, C: 2.0 at%, B: 5.0 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the
＜組成３＞
Ｃｒ：１５．０ａｔ％、Ｍｏ：６．０ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：３．０ａｔ％、Ｓｉ：６．０ａｔ％、Ｃ：０ａｔ％、Ｂ：６．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成３では、合金指数Ｐ１は１２．０であり、合金指数Ｐ２は１０．５である。
<
Cr: 15.0 at%, Mo: 6.0 at%, W: 0 at%, Ti: 3.0 at%, Si: 6.0 at%, C: 0 at%, B: 6.0 at%, the rest is Fe and inevitable Fe-based alloy composed of target impurities. In the
＜組成４＞
Ｃｒ：１５．０ａｔ％、Ｍｏ：５．０ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：０ａｔ％、Ｓｉ：７．０ａｔ％、Ｃ：１．５ａｔ％、Ｂ：６．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成４では、合金指数Ｐ１は１３．１３であり、合金指数Ｐ２は８．５である。
<Composition 4>
Cr: 15.0 at%, Mo: 5.0 at%, W: 0 at%, Ti: 0 at%, Si: 7.0 at%, C: 1.5 at%, B: 6.0 at%, the rest is Fe and inevitable Fe-based alloy composed of target impurities. In the composition 4, the alloy index P 1 is 13.13 and the alloy index P 2 is 8.5.
＜組成５＞
Ｃｒ：２５．０ａｔ％、Ｍｏ：４．０ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：２．５ａｔ％、Ｓｉ：６．０ａｔ％、Ｃ：２．５ａｔ％、Ｂ：５．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成５では、合金指数Ｐ１は１４．３８であり、合金指数Ｐ２は８．２５である。
<
Cr: 25.0 at%, Mo: 4.0 at%, W: 0 at%, Ti: 2.5 at%, Si: 6.0 at%, C: 2.5 at%, B: 5.0 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the
＜組成６＞
Ｃｒ：１５．０ａｔ％、Ｍｏ：４．２ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：４．０ａｔ％、Ｓｉ：６．０ａｔ％、Ｃ：１．０ａｔ％、Ｂ：８．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成６では、合金指数Ｐ１は１５．７５であり、合金指数Ｐ２は９．２である。
<Composition 6>
Cr: 15.0 at%, Mo: 4.2 at%, W: 0 at%, Ti: 4.0 at%, Si: 6.0 at%, C: 1.0 at%, B: 8.0 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the composition 6, the alloy index P 1 is 15.75 and the alloy index P 2 is 9.2.
＜組成７＞
Ｃｒ：２２．５ａｔ％、Ｍｏ：７．５ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：４．０ａｔ％、Ｓｉ：０ａｔ％、Ｃ：１．０ａｔ％、Ｂ：８．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成７では、合金指数Ｐ１は１７．２５であり、合金指数Ｐ２は９．５である。
<Composition 7>
Cr: 22.5 at%, Mo: 7.5 at%, W: 0 at%, Ti: 4.0 at%, Si: 0 at%, C: 1.0 at%, B: 8.0 at%, the rest is Fe and inevitable Fe-based alloy composed of target impurities. In the composition 7, the alloy index P 1 is 17.25 and the alloy index P 2 is 9.5.
＜組成８＞
Ｃｒ：１２．５ａｔ％、Ｍｏ：０ａｔ％、Ｗ：３．０ａｔ％、Ｔｉ：０ａｔ％、Ｓｉ：０ａｔ％、Ｃ：１．５ａｔ％、Ｂ：６．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成８では、合金指数Ｐ１は１８．６３であり、合金指数Ｐ２は７．５である。
<
Cr: 12.5 at%, Mo: 0 at%, W: 3.0 at%, Ti: 0 at%, Si: 0 at%, C: 1.5 at%, B: 6.0 at%, the balance is Fe and unavoidable impurities Fe-based alloy consisting of. In the
＜組成９＞
Ｃｒ：１５．０ａｔ％、Ｍｏ：０ａｔ％、Ｗ：３．０ａｔ％、Ｔｉ：０ａｔ％、Ｓｉ：０ａｔ％、Ｃ：１．５ａｔ％、Ｂ：６．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成９では、合金指数Ｐ１は１９．１３であり、合金指数Ｐ２は７．５である。
<Composition 9>
Cr: 15.0 at%, Mo: 0 at%, W: 3.0 at%, Ti: 0 at%, Si: 0 at%, C: 1.5 at%, B: 6.0 at%, the balance is Fe and unavoidable impurities Fe-based alloy consisting of. In the composition 9, the alloy index P 1 is 19.13 and the alloy index P 2 is 7.5.
＜組成１０＞
Ｃｒ：２０．０ａｔ％、Ｍｏ：３．５ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：４．０ａｔ％、Ｓｉ：３．０ａｔ％、Ｃ：０．５ａｔ％、Ｂ：１０．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成１０では、合金指数Ｐ１は１９．３８であり、合金指数Ｐ２は７．０である。
<Composition 10>
Cr: 20.0 at%, Mo: 3.5 at%, W: 0 at%, Ti: 4.0 at%, Si: 3.0 at%, C: 0.5 at%, B: 10.0 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the composition 10, the alloy index P 1 is 19.38 and the alloy index P 2 is 7.0.
＜組成１１＞
Ｃｒ：２０．０ａｔ％、Ｍｏ：０ａｔ％、Ｗ：１．５ａｔ％、Ｔｉ：４．５ａｔ％、Ｓｉ：３．０ａｔ％、Ｃ：０．２５ａｔ％、Ｂ：８．５ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成１１では、合金指数Ｐ１は１９．９４であり、合金指数Ｐ２は７．５である。
<Composition 11>
Cr: 20.0 at%, Mo: 0 at%, W: 1.5 at%, Ti: 4.5 at%, Si: 3.0 at%, C: 0.25 at%, B: 8.5 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the composition 11, the alloy index P 1 is 19.94 and the alloy index P 2 is 7.5.
＜組成１２＞
Ｃｒ：１２．５ａｔ％、Ｍｏ：０ａｔ％、Ｗ：３．０ａｔ％、Ｔｉ：０ａｔ％、Ｓｉ：０ａｔ％、Ｃ：１．７５ａｔ％、Ｂ：７．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成１２では、合金指数Ｐ１は２０．３１であり、合金指数Ｐ２は７．５である。
<Composition 12>
Cr: 12.5 at%, Mo: 0 at%, W: 3.0 at%, Ti: 0 at%, Si: 0 at%, C: 1.75 at%, B: 7.0 at%, the balance is Fe and unavoidable impurities. Fe-based alloy consisting of. In the composition 12, the alloy index P 1 is 20.31 and the alloy index P 2 is 7.5.
＜組成１３＞
Ｃｒ：２０．０ａｔ％、Ｍｏ：４．２ａｔ％、Ｗ：０ａｔ％、Ｔｉ：５．０ａｔ％、Ｓｉ：６．０ａｔ％、Ｃ：２．０ａｔ％、Ｂ：１０．０ａｔ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金。当該組成１３では、合金指数Ｐ１は２０．５であり、合金指数Ｐ２は９．７である。
<Composition 13>
Cr: 20.0 at%, Mo: 4.2 at%, W: 0 at%, Ti: 5.0 at%, Si: 6.0 at%, C: 2.0 at%, B: 10.0 at%, the rest is Fe Fe-based alloy consisting of and unavoidable impurities. In the composition 13, the alloy index P 1 is 20.5 and the alloy index P 2 is 9.7.
上記の本発明のＦｅ基合金は、各成分元素の原料を溶解、圧延法等の製法を用いて製造されたものであってよい。 The Fe-based alloy of the present invention may be produced by dissolving the raw materials of each component element and using a manufacturing method such as a rolling method.
以下、本発明の実施形態について、例示の実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to exemplary examples, but the present invention is not limited to these examples.
まず、本発明のＦｅ基合金の作製手順および評価試験手順を説明する。
［手順１：インゴット作製］
図１は本実施例で作製したインゴットの外観を示す写真である。以下の表１−１、表１−２に示す組成を有するインゴットを、ジルコニアるつぼを用いた高周波溶解によって作製した。インゴットの原料としては、電解鉄、フェロクロム、Ｓｉの塊状原料、Ｍｏ、Ｗ、Ｃの粒状原料、ＴｉＢ２粉末、Ｂ４Ｃ粉末を用い、合計重量は約１．２ｋｇである。溶解雰囲気はアルゴンガス中である。鋳造は内径φ４０ｍｍの鋳鉄製鋳型に行い、切断は図１に点線で示した位置で押し湯切断し、下側（長さ約９０ｍｍ）を溝ロール圧延に供した。
First, the procedure for producing the Fe-based alloy of the present invention and the procedure for evaluation test will be described.
[Procedure 1: Ingot preparation]
FIG. 1 is a photograph showing the appearance of the ingot produced in this example. Ingots having the compositions shown in Tables 1-1 and 1-2 below were prepared by high-frequency melting using a zirconia crucible. As the raw material of the ingot, electrolytic iron, ferrochrome, massive raw material of Si, granular raw material of Mo, W and C, TiB 2 powder and B 4 C powder are used, and the total weight is about 1.2 kg. The dissolution atmosphere is in argon gas. Casting was performed on a cast iron mold having an inner diameter of φ40 mm, cutting was performed by pressing hot water at the position shown by the dotted line in FIG. 1, and the lower side (length of about 90 mm) was subjected to groove roll rolling.
［手順２：溝ロール圧延］
押し湯切断して得たφ４０ｍｍ×９０ｍｍのインゴットを、１１００℃に加熱して溝ロール圧延を行った。溝の形状は正方形であり、サイズが異なる溝の間にインゴットを順番に通すことによって、徐々に断面積を細くする。また、およそ３回の圧延後に、再加熱を行う。加熱保持時間は約１０分とする。以下に、溝ロール圧延工程の一例を、矢印記号を用いて示す（数字は溝の一辺の長さ（ｍｍ）である。）：
＜開始＞ →加熱保持 →３８．２ →３５．０ →３１．７ →再加熱 →２８．７ →２５．９ →２３．５ →再加熱 →２１．３ →１９．３ →１７．５ →再加熱 →１５．８ →１４．３ →１２．９ →＜終了＞
本実施例では、上記工程により、図２に示す溝ロール圧延材を得た。
[Procedure 2: Groove roll rolling]
An ingot having a diameter of 40 mm and 90 mm obtained by cutting in a hot water was heated to 1100 ° C. to perform groove roll rolling. The shape of the groove is square, and the cross-sectional area is gradually reduced by passing ingots in order between grooves of different sizes. Further, after rolling about 3 times, reheating is performed. The heating holding time is about 10 minutes. An example of the groove roll rolling process is shown below using arrow symbols (the numbers are the length of one side of the groove (mm)):
<Start> → Hold heating → 38.2 → 35.0 → 31.7 → Reheat → 28.7 → 25.9 → 23.5 → Reheat → 21.3 → 19.3 → 17.5 → Reheat Heating → 15.8 → 14.3 → 12.9 → <End>
In this example, the groove roll rolled material shown in FIG. 2 was obtained by the above step.
［手順３：熱処理および組織観察］
溝ロール圧延材を熱処理した後、反射電子像による組織観察、およびＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）による析出物含有成分の同定と析出物面積率の測定を行った。析出物面積率は、ＥＰＭＡにより得られた元素マッピングデータをもとに画像処理を実施し算出した。
[Procedure 3: Heat treatment and microstructure observation]
After the groove roll rolled material was heat-treated, the microstructure was observed by a reflected electron image, the precipitate-containing components were identified by EPMA (electron probe microanalyzer), and the precipitate area ratio was measured. The precipitate area ratio was calculated by performing image processing based on the element mapping data obtained by EPMA.
［手順４：特性評価］
熱処理後の溝ロール圧延材から、図３および図４に示す２種類の試験片を加工し、室温での引張試験、および共振法によるヤング率測定試験を行った。以下の表２−１、表２−２に、試験結果と、各特性の良否判断の基準値を示す。
[Procedure 4: Characteristic evaluation]
Two types of test pieces shown in FIGS. 3 and 4 were processed from the rolled groove roll material after the heat treatment, and a tensile test at room temperature and a Young's modulus measurement test by a resonance method were performed. Tables 2-1 and 2-2 below show the test results and the reference values for judging the quality of each characteristic.
表２−１、表２−２に示す特性評価の結果から、表１−１、表１−２に示す組成で作製した各インゴットの溝ロール圧延材について、以下のことが確認された。 From the results of the characteristic evaluations shown in Tables 2-1 and 2-2, the following were confirmed for the groove roll rolled materials of each ingot produced with the compositions shown in Tables 1-1 and 1-2.
合金番号１、５、６、８〜１３の発明合金および合金番号２〜４、７の参考合金では、各成分元素の配合比が上述した所定の範囲内にあり、かつ合金指数Ｐ１および合金指数Ｐ２が所定の範囲内にあるので、ヤング率、耐力および延性がいずれも基準値を満たしている。
図５は、合金番号１の発明合金の溝ロール圧延材の反射電子像写真である。図５中に矢印で示したように、ＥＰＭＡによる析出物含有成分の同定の結果、合金番号１の供試材においては、Ｍｏ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ−Ｂ系およびＴｉ−Ｃ系の析出物が確認され、これらの析出物が生成されることにより、ヤング率の向上と高強度化がもたらされると共に、良好な延性を示すＦｅ基合金が得られたと考えられる。
Alloy No. 1, 5, 6, 8 in Reference alloys of the invention alloy and alloy No. 2～4,7 of -13, the blending ratio of each component element is within a predetermined range as described above, and alloys index P 1 and Alloy Since the index P 2 is within a predetermined range, Young's modulus, proof stress and ductility all meet the reference values.
FIG. 5 is a photograph of reflected electrons of the groove roll rolled material of the invention alloy of alloy No. 1. As shown by the arrows in FIG. 5, as a result of identification of the precipitate-containing components by EPMA, in the test material of alloy No. 1, Mo-Fe-Cr-B system, Fe-Cr-C system, Fe- Cr-CB-based and Ti-C-based precipitates were confirmed, and the formation of these precipitates brought about an improvement in Young's modulus and an increase in strength, and an Fe-based alloy showing good ductility. Is considered to have been obtained.
合金番号１４〜２３の比較合金では、合金指数Ｐ１が１２．０未満であるので、ヤング率が基準値の２３０ＧＰａに満たない。また、合金指数Ｐ２が６．５未満であるので、耐力が基準値の７００ＭＰａに満たない。
In the comparative alloys of
合金番号２４〜３８の比較合金では、合金指数Ｐ２が６．５未満であるので、耐力が基準値の７００ＭＰａに満たない。 In the comparative alloys of alloy numbers 24 to 38, the alloy index P 2 is less than 6.5, so the proof stress is less than the reference value of 700 MPa.
合金番号３９の比較合金では、合金指数Ｐ１が２０．５を超えるので、延性が基準値の１％に満たない。 In the comparative alloy of alloy number 39, the alloy index P 1 exceeds 20.5, so the ductility is less than 1% of the reference value.
なお、上記の実施の形態は本発明を具体的に説明したものに過ぎず、上記の実施の形態をもって本発明を制限的に解釈すべきではない。本発明のＦｅ基合金は、当業者にとって自明な範囲での組成元素の配合比の変更、例えば製造上必然的に含まれる許容範囲内での組成変更や原料組成物の調達価格の変動や供給状態の変動に応じた許容範囲内での組成変更を含むものである。 It should be noted that the above-described embodiment is merely a concrete description of the present invention, and the present invention should not be construed in a restrictive manner with the above-described embodiment. The Fe-based alloy of the present invention can be changed in the composition ratio within a range obvious to those skilled in the art, for example, the composition can be changed within the permissible range inevitably included in production, and the procurement price of the raw material composition can be changed or supplied. It includes composition changes within the permissible range according to changes in the state.
本発明のＦｅ基合金は、高剛性であり、かつ耐力が高く、延性が良好であるので、乗用車用ターボチャージャのシャフト等として使用するのに好適である。さらに、本発明のＦｅ基合金は、溶解、圧延法等の汎用的な製造方法で製造することができるので、シャフト等の製品の価格競争力を維持しつつ、実用に供することができる。 The Fe-based alloy of the present invention has high rigidity, high proof stress, and good ductility, and is therefore suitable for use as a shaft of a turbocharger for passenger cars. Further, since the Fe-based alloy of the present invention can be produced by a general-purpose production method such as melting and rolling methods, it can be put into practical use while maintaining the price competitiveness of products such as shafts.
Claims (4)
以下の式（１）：
Ｐ１＝０．２［％Ｃｒ］＋０．７５［％Ｃ］＋１．５［％Ｂ］＋２［％Ｗ］ ・・（１）
（式（１）中、［％Ｃｒ］、［％Ｃ］、［％Ｂ］、［％Ｗ］は、Ｃｒ、Ｃ、Ｂ、Ｗの配合比（ａｔ％）を意味する）によって求められる合金指数Ｐ１が１２．０〜２０．５の範囲内であり、かつ
以下の式（２）：
Ｐ２＝［％Ｍｏ］＋２．５［％Ｗ］＋０．５［％Ｓｉ］＋０．５［％Ｔｉ］ ・・（２）
（式（２）中、［％Ｍｏ］、［％Ｗ］、［％Ｓｉ］、［％Ｔｉ］は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉの配合比（ａｔ％）を意味する）によって求められる合金指数Ｐ２が６．５〜１２．０の範囲内であることを特徴とするＦｅ基合金。 Cr: 12.0 to 37.5 at%, Mo: 0 to 4.2 at%, W: 0 to 3.5 at%, Ti: 0 to 5.0 at%, Si: 0 to 7.0 at%, C: 0~4.0at%, B: 3.0 ~10.0at% , the balance being Fe and unavoidable impurities,
The following equation (1):
P 1 = 0.2 [% Cr] +0.75 [% C] +1.5 [% B] +2 [% W] ... (1)
(In the formula (1), [% Cr], [% C], [% B], and [% W] mean the compounding ratio (at%) of Cr, C, B, and W). The index P 1 is in the range of 12.0 to 20.5, and the following equation (2):
P 2 = [% Mo] +2.5 [% W] +0.5 [% Si] +0.5 [% Ti] ... (2)
(In the formula (2), [% Mo], [% W], [% Si], and [% Ti] mean the compounding ratio (at%) of Mo, W, Si, and Ti). An Fe-based alloy characterized in that the index P 2 is in the range of 6.5 to 12.0.
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