JPH0734177A - 高剛性材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細粒子分散による加工歪みの蓄積、集合組
織の制御による高剛性化を図る際に、分散粒子をより微
細化してヤング率25,000kgf/mm² 超の高剛性材料をより
安価に製造方法する技術を開発する。 【構成】 Fe−Cr系フェライト鋼組成の粉末に、機械的
合金化処理を行ってから、少なくとも押出比３以上の押
出加工を含む成形加工を施し、次いで２次再結晶熱処理
を行い、機械的合金化処理に際してCrまたは易ホウ化性
元素のホウ化物粒子を微細に分散させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複合材料、特に、自動
車、航空機、ロケット、産業用機械、ロボットなどの技
術分野において優れた剛性を必要とする構造部材として
利用される高剛性複合材料 (以下単に高剛性材料とい
う) の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高剛性材料が求められている背景
には、例えば自動車用材料では、燃費向上を目的とする
軽量小型化材料や、乗り心地の向上を目的とする制振材
料へのニーズが高まっていることが挙げられる。

【０００３】軽量化のために高剛性材料を用いれば、高
剛性材料によって外力によるたわみ等の歪量が低減で
き、その分だけ、部品形状を小型化できるという利点が
ある。

【０００４】一方、制振材料として高剛性材料を用いる
ことによっても、少量の材料を使用するだけで、材料の
歪みから生じる振動を低減することが可能となる。

【０００５】したがって、これからも明らかなように、
自動車用の部品だけでなくあらゆる構造部材において、
小さな形状で大きな歪量を吸収することの可能な高剛性
材料に期待が集まっている。

【０００６】そのような材料を開発する手法としては、
従来、Fe基合金に対する合金元素添加や、合金マトリッ
クス中へのセラミックの粒子分散複合化による、または
圧延による集合組織形成による剛性向上が試みられてき
た。

【０００７】ところが、合金元素添加においては、Fe基
合金の場合、最も向上率の大きいRe元素の添加によって
も高々21,000〜22,000kgf/mm² 程度のヤング率向上しか
得られなかった。また、合金マトリックス中へセラミッ
ク粒子を分散させる場合、セラミックス粒子の配合率を
高めることにより十分な剛性向上が得られるが、一方、
靱性、強度の低下はまぬがれず、集合組織を制御した圧
延法によっても実用材料としては高々24,000kgf/mm² し
か得られない。

【０００８】一方、鉄鋼材料では加工熱処理によりヤン
グ率の高い結晶方位を特定の方向に揃えること、つまり
集積化することにより高剛性化を実現する手法が取入れ
られている。すなわち、体心立方格子を有するフェライ
ト系鋼の｛１１１｝面の集積化を狙った材料設計、プロ
セス設計である。特開昭56−23223 号公報や特開昭59−
83721 号公報参照。

【０００９】しかしながら、上述の公報に示されている
ように、従来は、５〜10％以上の加工率を施した後に 7
20〜900 ℃以下の温度で焼戻し、あるいは巻取り等の熱
処理をすることで、一定方向に結晶方位を集積させて
も、そのヤング率は高々23,000〜24,000kgf/mm² にすぎ
なかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、かかる
目的を達成すべく種々検討を重ねたところ、従来法にお
いて、加工熱処理法によっても僅かなヤング率の向上し
か得られない原因は、フェライト系鋼における｛１１
１｝面の集積度が等方性多結晶体に比べ高々15〜20倍と
少ないためであり、これは加工工程で導入される加工歪
およびその集積が少ないためであることを知った。

【００１１】そこで、高加工歪付与の可能な方法を見出
すため種々検討を重ねた結果、金属マトリックス中に粒
子を微細に分散させた材料に強加工を加えると大量の格
子歪みが導入蓄積されるが、分散粒子は転位のピン止め
効果を持つため、熱間加工後の余熱では導入された格子
歪みは解放されずに残留する。この格子歪エネルギーは
加工後の熱処理時に＜111 ＞集合組織を形成するための
再結晶駆動力となる。また、この再結晶熱処理時には微
細分散粒子は、粒界移動をピン止めする効果を持ち、し
たがって再結晶温度を高温化する作用がある。そしてそ
のような再結晶温度の高い材料においては加熱昇温時に
ある温度において急激に再結晶を開始する結果、再結晶
粒が方向性を持ち、Ｘ線強度で等軸材に比べ30倍以上と
いう著しい＜111 ＞集合組織を形成する。

【００１２】このような粒子微細分散は、強加工時の歪
の蓄積と、熱処理時の方向性２次再結晶に対する寄与を
通じて29,000kgf/mm² という高ヤング率が得られること
を知り、すでに特願平４−58271 号として特許出願し
た。

【００１３】すなわち、その知見によれば、成形加工時
に微細分散粒子が転位のピン止め効果を発揮し、材料に
大量の格子歪を蓄積させ、その後の集合組織形成に大き
く寄与するのである。

【００１４】この特願平４−58271 号に開示した発明に
かかる高剛性材料における粒子微細分散の手法として
は、原料となる金属粉末あるいは合金粉末中にセラミッ
クス粒子を添加し、主に機械的合金化処理、（メカニカ
ルアロイング、以下同じ) により微細分散状態を得ると
いう方法を用いている。

【００１５】しかし、その後の研究開発の結果、この手
法においては、添加するセラミックス粒子の粒度が例え
ば0.10μm と粗い場合、成形加工における加工度が小さ
いと十分な格子歪が導入蓄積されず、その後の集合組織
形成が十分に行えない場合があり、高剛性が得られない
という問題を有することが判明した。

【００１６】すなわち、この方法においては、加工度を
低くしたい場合、添加するセラミックス粒子は、成形加
工時に十分な歪を導入できる程度に、例えば0.10μm 以
下と微細である必要がある。ここで加工度を低くしたい
場合とは、例えば押出比を低くおさえて大径の棒材を得
たい場合などである。

【００１７】しかしながら、そのように十分に微細とす
るには、メカニカルアロイングを長時間行う等の更なる
微細化を行わなければならず、製造効率の低下等の問題
が生じるなど、実用上の有効な解決策とはなっていな
い。

【００１８】ここに、本発明の目的は、微細粒子の分散
による加工歪の導入、集合組織の形成による高剛性材料
の製造方法において、より効果的な分散粒子の微細化技
術を開発することである。より具体的には、本発明の目
的は、ヤング率25000kgf/mm²超の高剛性材料のより安価
な製造方法を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的を達成すべく種々検討を重ねた結果、添加元素のメカ
ニカルアロイング中のホウ化反応によりホウ化物を生成
させ、またはメカニカルアロイング中にホウ素を過飽和
固溶させ、その後の加熱処理によりホウ化物を析出させ
て、これを前述の微細分散粒子として利用することで微
細な分散状態が得られることを知り、本発明を完成し
た。

【００２０】すなわち、本発明は、少なくとも１種の易
ホウ化性元素またはCrを例えば金属状態または元素状態
というように非ホウ化状態で存在させたFe−Cr系フェラ
イト鋼組成の粉末に、機械的合金化処理を行ってから、
少なくとも押出比３以上の押出工程を含む成形加工を施
し、次いで２次再結晶熱処理を行う高剛性材料の製造方
法であって、機械的合金化処理に際して下記(i) および
(ii)の少なくとも１の手段でもってCrまたは易ホウ化性
元素のホウ化物粒子を微細に分散させることを特徴とす
る高剛性材料の製造方法である。

【００２１】(i) 前記粉末としてホウ素を含有する粉末
を用いて前記機械的合金化処理を行うこと。 (ii)ホウ素単体を添加して前記機械的合金化処理を行う
こと。

【００２２】ここに、上記「Fe−Cr系フェライト鋼組成
の粉末」とは、Fe−Cr系フェライト鋼それ自体の粉
末、Fe−Cr系フェライト鋼組成となるようにそれぞれ
単独の金属粉末を配合した混合粉末、一部合金粉末を
含むが全体としてFe−Cr系フェライト鋼組成となるよう
に配合された混合粉末、および２種以上の合金粉末で
あって全体としてFe−Cr系フェライト鋼組成となるよう
に配合された混合粉末を包含するものであって、適宜選
択すればよい。

【００２３】なお、「Fe−Cr系フェライト鋼」とは、10
0 ％フェライト相の場合ばかりでなく、例えば５％程度
までのオーステナイト相が存在するステンレス鋼も包含
される。少なくとも95％のフェライト相が存在しておれ
ば、高剛性化には十分である。

【００２４】また、易ホウ化元素としてはFe、Crに比較
して容易にホウ化する元素を意味し、具体的には、例え
ばTi、Al、Nb、Y などの元素が含まれる。本発明にあっ
ては、少なくとも１種の易ホウ化性元素またCrを非ホウ
化状態、例えば金属状態または元素状態で存在させなけ
ればならないが、その趣旨は微細分散粒子がメカニカル
アロイング中のホウ化反応もしくはその後の加熱処理に
由来するものであることを規定することである。

【００２５】これらの易ホウ化性元素は、上述のFe−Cr
系フェライト鋼組成の粉末に本来含有されているもので
あっても、あるいは積極的にホウ化物として析出させる
べくホウ素単体としてもしくはホウ素合金として配合し
たものであってもよい。

【００２６】これらの易ホウ化性元素は、メカニカルア
ロイングの過程において、ホウ素含有粉末からのホウ素
や添加した単体ホウ素と反応し、または、FeやCr等他の
フェライト系鋼合金中の固溶ホウ素と反応することによ
り、粒子径が５〜50nm程度の微細なホウ化物の分散状態
を形成すると考えられる。

【００２７】例えば原料粉末にTiが含まれかつTiB が含
まれない場合、メカニカルアロイングによって生成した
TiB の平均粒子径は10nm程度であり、原料粉末に直接に
TiB粒子 (平均粒径60nm) を添加した場合に比べ、非常
に微細かつ良好な分散状態が得られる。

【００２８】ここに、上記メカニカルアロイングの作用
としては、本来の原料粉末の合金化処理の他に、FeやCr
等他の合金元素中のホウ素や単体で添加したホウ素と反
応させてホウ化物粒子を生成させるか、あるいは処理中
にホウ素を過飽和固溶させ、後続の成形加工に先立つ加
熱時に微細ホウ化物として析出させることが挙げられ
る。

【００２９】ここに、本発明の一つの態様によれば、上
述の易ホウ化性元素を配合したFe−Cr系フェライト鋼組
成の粉末を出発原料として用いるのである。この場合、
微細分散するのは、易ホウ化性元素のホウ化物粒子であ
る。

【００３０】また、本発明の別の態様によれば、上述の
易ホウ化性元素を含まないFe−Cr系フェライト鋼組成の
粉末を出発原料粉末として用いるのである。この場合、
微細分散するのはCrホウ化物である。

【００３１】

【作用】次に、本発明におけるフェライト系合金鋼マト
リックス中にホウ化物粒子を微細分散させることの材料
の高剛性化に対する効果は、次のごとく説明される。

【００３２】即ち、金属マトリックス中にホウ化物粒子
を微細に分散させた材料に強加工を加えると大量の格子
歪が導入蓄積されるが、分散粒子は転位のピン止め効果
を持つため、熱間加工後の余熱では導入された格子歪は
解放されずに残留する。この格子歪エネルギーは加工後
の熱処理時に＜１１１＞集合組織を形成するための再結
晶駆動力となる。また、この再結晶熱処理時には微細分
散粒子は、粒界移動をピン止めする効果を持ち、したが
って再結晶温度を高温化する作用がある。そしてそのよ
うな再結晶温度の高い材料においては加熱昇温時にある
温度において急激に再結晶を開始する結果、再結晶が方
向性を持ちＸ線強度で等方性多結晶体に比べ30倍以上と
いう著しい＜１１１＞集合組織を形成する。

【００３３】このように粒子微細分散は、強加工時の歪
の蓄積と、熱処理時の方向性２次再結晶に対する寄与を
通じて材料を高剛性化する作用を持つ。ここで分散粒子
が転位や粒界のピン止め効果を発揮するためには、微細
な分散により粒子間距離がより小さい分散状態を形成す
る必要があり、本発明はそのための手段を提供するので
ある。

【００３４】本発明においてホウ化物分散の手法として
メカニカルアロイング中のホウ素供給を利用した理由
は、この手法を用いた場合の方が、従来法のように最初
からホウ化物粒子をメカニカルアロイングの原料として
添加した場合に比較して、より微細な分散状態が得られ
るからである。すなわち、前者の場合、メカニカルアロ
イング中またはその後の加熱中に金属マトリックス中に
ホウ化物が多数核発生することによって微細分散状態が
得られるのに対し、後者では添加したホウ化物の粒子径
がそのまま維持されるために添加粒子の粒子径よりも微
細な分散状態を得ることは困難である。この理由から、
単なるメカニカルアロイングと比べて、本発明における
メカニカルアロイングは優れているといえる。

【００３５】ここに、メカニカルアロイングは、アトリ
ッション型ボールミルに代表される装置によって行う粉
末同志の合金化処理をいい、本発明の場合には上述のよ
うなホウ化物生成、ホウ素固溶などの作用が発揮されれ
ば特定の処理に制限されない。

【００３６】本発明においてホウ化物生成のための合金
元素を易ホウ化性元素群に限定したのは、それらの元素
がフェライト系鋼合金を構成する主要元素であるFe、Cr
のホウ化物より安定なホウ化物を生成しやすく、従って
その添加量を制御すれば微細なホウ化物分散状態が得ら
れるからである。すなわち、高剛性を得るための＜１１
１＞再結晶集合組織を得るために好ましいホウ化物の微
細分散状態を形成させるためには、ホウ化物生成のため
の反応物質はFe、Crよりもホウ化物を生成し易い性質を
もつ必要があり、それを前提として添加量制御による分
散状態制御が可能となるからである。

【００３７】もちろん、フェライト系鋼の合金粉末を用
いる場合にはCrのホウ化物を生成させ、それによる微細
分散を利用してもよい。ホウ化物生成のための易ホウ化
性元素としてはTi、Al、Mn、Nb、Ｙなどのうち１種また
は２種以上を用いることが望ましい。これらの添加元素
のホウ化を行うことによりそれぞれのホウ化物が生成す
るが、そのようなホウ化物としては、TiB 、Al₄B₃ 、Nb
₂B、Y₂B₃などのうち１種または２種以上のホウ化物また
は複合ホウ化物であることが望ましい。さらには、酸化
物、炭化物、窒化物との複合、混合状態であってもよ
い。

【００３８】これらの易ホウ化性元素の配合量について
は特に制限されず、目的に応じて適宜設定できるが、好
ましくは、金属元素としては1.0 〜5.0 ％である。ホウ
化物を反応生成するためのホウ素の供給源としては、使
用する金属元素粉末やフェライト合金粉末中に含有され
るホウ素および単体で添加するホウ素がある。

【００３９】また金属元素粉末あるいは合金粉末中に含
有されるホウ素濃度は0.01〜2.0 wt％の範囲において制
御することが望ましく、その方法としては原料粉末に含
まれる固溶ホウ素やホウ化鉄およびホウ化クロムを利用
することの他、原料粉末にホウ化鉄やホウ化クロムを0.
05〜2.0 wt％添加しても良い。

【００４０】このように固溶ホウ素を利用してホウ化物
を析出させる場合には、加熱温度としては通常850 〜12
00℃程度で十分である。これは成形加工温度に実際相当
する温度であって、したがって、それを利用すれば特に
加熱工程を設ける必要はない。

【００４１】次いで、本発明によるホウ化物の微細分散
した合金粉末混合物を熱間押出により、成形加工するこ
とにより、格子歪の蓄積した状態の素材が得られる。こ
のときの成形加工法としてはHIP 、CIP 等により成形し
た後、押出加工を施し、その前後に圧延および／または
鍛造で強加工して格子歪を導入しても良い。

【００４２】このようにして得られた素材を熱処理する
事により、＜１１１＞集合組織の著しく発達した高剛性
材料が得られる。このときの熱処理は方向性２次再結晶
のために行うのであって、したがって、1000〜1450℃に
0.5 〜２時間加熱処理すれば十分である。次に、実施例
によって本発明の作用をさらに具体的に詳述する。

【００４３】

【実施例】フェライトマトリックスとして電解鉄粉 (平
均粒子径：100 μm)とCr粉末 (平均粒子径：50μm)の混
合粉末 (Fe：Cr＝87：13) 、Fe−13Cr鋼粉末 (平均粒子
径：70μm)、あるいはFe−13Cr−２Ti鋼粉末 (平均粒子
径：70μm)を用い、また添加元素あるいは粒子としてT
i、Al、Ｙ、Nb、Mn、Ｂ、Fe₃B、TiＢ、Nb₂Bのうち１種
または２種の粉末を用い、アトリッション型のボールミ
ルでメカニカルアロイングを行い合金粉末を作製した。
次いでこれらのメカニカルアロイング処理粉末を用い
て、1150℃に加熱してから、熱間押出により押出比５ま
たは10の強加工成形後、1300℃で１時間熱処理して空冷
し、高剛性材料を得た。

【００４４】このようにして得られた材料の分散粒子
種、平均粒子径を調べ、縦共振法により押出方向のヤン
グ率を測定した。それらの結果を比較例のそれらととも
に表１にまとめて示す。表１中、比較例No.10 〜12はホ
ウ化物 (平均粒子径：60nm) を直接添加して機械的合金
化した材料である。実施例No.1〜９は固体ホウ素供給源
を用いた例を示すものである。

【００４５】これらの結果を示す表１からも分かるよう
に、比較例の分散粒子径が60nmであるのに対し、本発明
例、すなわち添加元素のホウ化反応によるホウ化物分散
粒子は25nm以下と非常に微細である。分散粒子径が60nm
程度の場合、加工度が高いと高ヤング率を発現するが
(比較例No.12)、加工度が低いと発現しない (比較例No.
10 、11) 。しかし比較例No.10 、11と同じ成形加工・
熱処理条件で試作した発明例No.1〜９では粒子が微細分
散しているため25,000kgf/mm² を越える高ヤング率を示
すことが分かる。

【００４６】また添加元素量を制御することにより分散
粒子の平均粒径をコントロールできる。すなわち、Ti添
加量２％では平均粒子径12nmであるのに対して、4.0 ％
にすると25nmになる (発明例No.3、４) 。添加量の増加
にともない、粒子が粗大化しやすい傾向がみられた。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【発明の効果】本発明により、大幅な加工歪付与が可能
となり、＜１１１＞集積度の著しい向上が図られた。そ
の結果、ヤング率25,000 kgf/mm²以上の高剛性材料の製
造が可能となり、各種バネ材、各種シャフト材、振動吸
収を必要とする自動車をはじめとする各種構造部品への
適用が可能となった。

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【手続補正書】

【提出日】平成５年８月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】

【表１】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１種の易ホウ化性元素または
   Crを非ホウ化状態で存在させたFe−Cr系フェライト鋼組
   成の粉末に、機械的合金化処理を行ってから、少なくと
   も押出比３以上の押出工程を含む成形加工を施し、次い
   で２次再結晶熱処理を行う高剛性材料の製造方法であっ
   て、機械的合金化処理に際して下記(i) および(ii)の少
   なくとも１の手段でもってCrまたは易ホウ化性元素のホ
   ウ化物粒子を微細に分散させることを特徴とする高剛性
   材料の製造方法。 (i) 前記粉末としてホウ素を含有する粉末を用いて前記
   機械的合金化処理を行うこと。 (ii)ホウ素単体を添加して前記機械的合金化処理を行う
   こと。