JPH0790303A - 高剛性材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車、航空機、ロボットなどの構造部材と
して利用できるヤング率が25,000kgf/mm² 超の高剛性材
料のより安価な製造方法を提供する。 【構成】 少なくとも１種の易反応性元素またはSi(Al)
を、例えば金属状態または元素状態というように未反応
状態で存在させたFe−Si(Al)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Si(Al)または易反応性元
素の反応生成物粒子を微細に分散させ、次いで少なくと
も押出比３以上の押出加工を含む成形加工を施し、さら
に２次再結晶熱処理を行う。 (i) 前記粉末として酸素、窒素、炭素、ホウ素のうち１
種以上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)酸素、窒素、炭素のうち１種以上を含有する雰囲気
下で前記機械的合金化処理を行うこと。 (iii) 前記粉末に炭素単体あるいはホウ素を添加して前
記機械的合金化処理を行うこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主に、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、例えば自動車用材料としては、燃
費向上を目的とする軽量化材料や、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。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。

【０００３】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、少量の材料を使うだけで材料の歪から
生じる振動を低減することが可能となる。従って、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。

【０００４】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による、合金マトリ
ックス中へのセラミックス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。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。

【０００５】また合金マトリックス中へのセラミックス
の粒子分散を図る場合においては、セラミックスの配合
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、集合組織を形成する
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。

【０００６】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り入
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。

【０００７】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％以上の加工率の熱間加工を施
した後に、720 〜900 ℃以下の温度で焼き戻し、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、ヤング率は高々23,000〜24,000kgf/mm
² 程度にすぎなかった。

【０００８】

【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Ｘ線積分強度比
で高々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。

【０００９】そこで、高加工歪付与の可能な方法を見い
出すため、種々検討を加えた結果、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
の格子歪が導入蓄積される。分散粒子は転位のピン止効
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とを見い出した。

【００１０】しかも、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線積分強度比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。

【００１１】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 、特願平５−220122、
特願平５−220123、特願平５−220124号として特許出願
した。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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結果、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。

【００１５】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0.05μｍ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。

【００１６】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。

【００１７】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、集合組織の制御による高剛性材料
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、ヤング率が25,000kgf/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。

【００１８】

【課題を解決するための手段】ここに、本発明者らは、
上記目的達成のために種々検討を重ねた結果、メカニカ
ルアロイング中の添加元素の酸化、窒化、炭化、ホウ化
等の反応により反応生成物を生成させ、またはメカニカ
ルアロイング中に酸素、窒素、炭素、ホウ素等を過飽和
固溶させ、その後の熱処理により反応生成物を析出させ
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、ヤング率25,000kgf/mm² 超を実
現できることを知り、本発明を完成したすなわち、本発
明は、少なくとも１種の易反応性元素またはSiを、例
えば金属状態または元素状態というように未反応状態で
存在させたFe−Si系フェライト鋼組成の粉末に、あるい
は少なくとも１種の易反応性元素またはAlを、例えば
金属状態または元素状態というように未反応状態で存在
させたFe−Al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、さらに２次再結晶熱処理を行
う方法であって、機械的合金化処理に際して下記(i) な
いし(iii) の少なくとも１の手段でもってSiまたはそれ
に対する易反応性元素、もしくはAlまたはそれに対する
易反応性元素の反応生成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。

【００１９】(i) 前記粉末として酸素、窒素、炭素、ホ
ウ素のうち１種以上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)酸素、窒素、炭素のうち１種以上を含有する雰囲気
下で前記機械的合金化処理を行うこと。 (iii) 前記粉末に炭素単体あるいはホウ素を添加して前
記機械的合金化処理を行うこと。

【００２０】ここに、上記「Fe−Si(Al)系フェライト鋼
組成の粉末」とは、Fe−Si(Al)系フェライト鋼それ自
体の粉末、Fe−Si(Al)系フェライト鋼組成となるよう
にして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−Si(Al)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−Si(Al)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。

【００２１】なお、「Fe−Si(Al)系フェライト鋼」と
は、100 体積％フェライト相の場合ばかりではなく、た
とえば５体積％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体積％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。

【００２２】また、Fe−Si系フェライト鋼組成の粉末の
場合、易反応性元素とは、Siと比較して、より容易に反
応 (酸化、窒化、炭化、ホウ化) する傾向を有する元素
を意味し、具体的には、反応の種類により次の元素が含
まれる。すなわち、酸化反応の場合、Siに対する易反応
性元素として例えば、Al、Ti、Ｙ、Zr、Mg、Be、Hf、Th
および希土類が挙げられる。

【００２３】また、窒化反応の場合、Siに対する易反応
性元素として例えば、Zr、Ti、Al、Ｂ、Mg、Nb、Ta、Ｙ
および希土類が挙げられる。さらに、炭化反応の場合、
Siに対する易反応性元素として例えば、Zr、Ti、Ta、A
l、Ｖ、Nb、Ｙが挙げられる。ホウ化反応の場合、Siに
対する易反応性元素として例えば、Ti、Al、Mn、Nb、Ｙ
が挙げられる。

【００２４】一方、Fe−Al系フェライト鋼組成の粉末の
場合、易反応性元素とは、Alと比較してより容易に反応
(酸化、窒化、炭化、ホウ化) する傾向を有する元素を
意味し、具体的には、反応の種類により次の元素が含ま
れる。すなわち、酸化反応の場合、Alに対する易反応性
元素として例えば、Ti、Ｙ、Mg、Be、Hf、Thおよび希土
類が挙げられる。また、窒化反応の場合、Alに対する易
反応性元素として例えば、Zr、Ti、および希土類が挙げ
られる。

【００２５】さらに、炭化反応の場合、Alに対する易反
応性元素として例えば、Zr、Ti、Taが挙げられる。ホウ
化反応の場合、Alに対する易反応性元素として例えば、
Ti、Nb、Ｙが挙げられる。

【００２６】なお、本明細書にあっては易反応性元素と
の用語は、「Siに対する」あるいは「Alに対する」易反
応性元素と、特にことわった場合以外は、両者の総称と
して用いる。

【００２７】本発明にあっては、少なくとも１種の易反
応性元素またはSi(Al)を未反応状態で存在させなければ
ならないが、具体的には例えば元素状態または金属状態
で存在させることで、その趣旨は、微細分散粒子がメカ
ニカルアロイング中の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。

【００２８】したがってこれらの易反応性元素は、上述
のFe−Si(Al)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、あるいは積極的に酸化物等の反
応生成物として析出させるべく配合したものであっても
よい。

【００２９】これらの易反応性元素は、メカニカルアロ
イングの過程において、雰囲気ガス中の酸素、窒素、炭
素と反応し、または、他の合金元素粉末中の酸素、窒
素、炭素、ホウ素と反応するか、あるいはメカニカルア
ロイング中に酸素、窒素、炭素、ホウ素が過飽和固溶し
た粉末に熱間加工の予備加熱等により加熱処理を加える
ことにより酸化物等の反応生成物が微細析出し、粒子径
が５〜50nm程度の微細な酸化物等の反応生成物粒子の分
散状態を形成するものと考えられる。

【００３０】例えば、原料粉末にAlが含まれ、かつAl₂O
₃ 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Al₂O₃ の平均粒子径は10nm程度であり、原料粉末
に直接にAl₂O₃ 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。

【００３１】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、雰囲気
ガス中の酸素、窒素、炭素と易反応性元素とを反応さ
せ、または、FeやSi(Al)あるいは易反応性元素と合金粉
中に含まれる酸素、窒素、炭素、ホウ素と反応させて反
応生成物粒子を生成させるか、あるいは処理中に酸素、
窒素、炭素、ホウ素を合金粉中に過飽和固溶させ、後続
の成形加工に先立つ加熱時に微細反応生成物として析出
させることが挙げられる。この点、先の特願平４−5827
1 、特願平５−220122、特願平５−220123、特願平５−
220124号において行われるメカニカルアロイングとは次
の点で異なる。

【００３２】微細分散粒子がメカニカルアロイング中
の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。 その結果として、より微細な粒子の分散状態が得られ
ること。

【００３３】ここに、本発明の一つの態様によれば、上
述の易反応性元素を配合したFe−Si系フェライト鋼組成
またはFe−Al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、易反
応性元素の反応生成物粒子である。

【００３４】また、本発明の別の態様によれば、上述の
易反応性元素を含まないフェライト鋼合金組成の粉末を
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、Fe−Si系のときにはSiの反応生成物粒子す
なわちSiO₂、Si₃N₄ 、SiC 等であり、Fe−Al系のときに
はAlの反応生成物粒子すなわちAl₂O₃ 、AlN 、Al₄C₃、A
lB 等である。

【００３５】

【作用】次に、本発明にしたがってフェライト系合金鋼
マトリックス中に反応生成物粒子を微細分散させたとき
の材料の高剛性化に対する作用は、次のごとく説明され
る。

【００３６】すなわち、本発明の場合も前述の特願平４
−58271 号等の場合と同様に、金属マトリックス中に反
応生成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、再結晶温度を高温化する作用がある。したがって
そのような再結晶温度の高い材料では、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
が方向性を持つことになり、Ｘ線積分強度で等方性多結
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。

【００３７】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効果を持つ。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。

【００３８】本発明において、反応生成物分散の手法と
して、メカニカルアロイング中の反応物質源 (酸素、窒
素、炭素、ホウ素) の供給を利用した理由は、この手法
を用いた場合の方が、従来法のように分散粒子をメカニ
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。

【００３９】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反
応生成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、後者では添加した分散粒子の粒子径
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。

【００４０】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
同士の合金化処理をいい、本発明の場合には上述のよう
な反応生成、反応物質源の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。

【００４１】本発明において反応生成のための合金元素
を上述の易反応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の反
応生成物あるいは易酸化性元素の場合にはFe、Si、Alの
反応生成物よりそれぞれ安定な反応生成物を生成しやす
く、従ってその添加量を抑制すれば微細な粒子分散状態
が得られるからである。すなわち、高剛性を得るための
＜１１１＞再結晶集合組織を得るために好ましい反応生
成物の微細分散状態を形成させるためには、反応生成の
ための反応物質はFe、Si(Al)よりも反応生成物が生成し
易い性質を持つ必要があり、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。

【００４２】もちろん、フェライト系鋼の合金粉末を利
用する場合には易反応性元素に代えてSi(Al)の反応生成
物を生成させ、それによる微細分散を利用しても良い。

【００４３】以下、Fe−Si系フェライト系ステンレス鋼
の場合を例にとって、易反応性元素およびそのときの反
応生成物粒子の例を具体的に説明する。

【００４４】なお、Fe−Al系フェライト系ステンレス鋼
の場合の易反応性元素についてはすでに例示した通りで
あり、それらについても以下のSiに対する易反応性元素
と同様のことがいえる。

【００４５】酸化物生成のためのSiに対する易反応性元
素としてはAl、Ti、Ｙ、Zr、Mg、Be、Hf、Thおよび希土
類などのうち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酸化を行うことによりそれぞれ
の酸化物が生成するが、そのような酸化物としては、Al
₂O₃ 、Y₂O₃、TiO₂、ZrO₂、MgO などのうち１種または２
種以上の酸化物または複合酸化物であることが望まし
い。

【００４６】また、その複合酸化物としては例えば、Ti
_XY_YO 、Al_XY_YO 、Al_XTi_YOが有効である。さらには、窒
化物、炭化物、ホウ化物等との複合、混合状態であって
も良い。

【００４７】窒化物生成のためのSiに対する易反応性元
素としてはZr、Ti、Al、Ｂ、Mg、Nb、Ta、Ｙおよび希土
類などのうち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窒化を行うことによりそれぞれ
の窒化物が生成するが、そのような窒化物としては、Zr
Ｎ、TiＮ、AlＮ、ＢＮなどのうち１種または２種以上の
窒化物または複合窒化物であることが望ましい。さらに
は、酸化物、炭化物、ホウ化物等との複合、混合状態で
あっても良い。

【００４８】炭化物生成のためのSiに対する易反応性元
素としてはZr、Ti、Ta、Al、Ｖ、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
元素の炭化を行うことによりそれぞれの炭化物が生成す
るが、そのような炭化物としては、TiＣ、ZrＣ、TaＣ、
Al₄C₃ 、NbＣなどのうち１種または２種以上の炭化物ま
たは複合炭化物であることが望ましい。さらには、窒化
物、酸化物、ホウ化物等との複合、混合状態であって良
い。

【００４９】ホウ化化物生成のためのSiに対する易反応
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、NbＢ、Ｙ
Ｂ、AlＢ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、窒化
物、炭化物、酸化物等との複合、混合状態であっても良
い。

【００５０】本発明にあって易反応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 1.0〜5.0 ％である。

【００５１】酸化物を反応生成するための酸素の供給源
としては、メカニカルアロイングの雰囲気ガス中からの
ものと、使用する金属元素粉末やフェライト合金粉末中
に含有される酸素がある。

【００５２】その雰囲気ガス中の酸素濃度は0.001 〜５
vol%とすることが好ましく、メカニカルアロイング時間
を制御することにより分散状態を制御することができ
る。雰囲気ガスとしては特にアルゴンと酸素の混合雰囲
気が有効である。

【００５３】また金属元素粉末あるいは合金粉末中に含
有される酸素濃度は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中に含
まれる固溶酸素や酸化鉄を利用することの他、原料粉末
に酸化鉄粉末を0.05〜2.0 wt％添加しても良い。

【００５４】窒化物を反応生成するための窒素の供給源
としては、メカニカルアロイングの雰囲気ガス中からの
ものと、使用する金属元素粉末やフェライト合金粉末中
に含有される窒素がある。

【００５５】その雰囲気ガス中の窒素濃度は５〜100 vo
l%とすることが好ましく、メカニカルアロイング時間を
制御することにより分散状態を制御することができる。
雰囲気ガスとしては特に純窒素雰囲気またはアルゴンと
窒素の混合雰囲気が有効である。

【００５６】また金属元素粉末あるいは合金粉末中に含
有される窒素濃度は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中に含
まれる固溶窒素や窒化鉄を利用することの他、原料粉末
に窒化鉄粉末を0.05〜2.0 wt％添加しても良い。

【００５７】炭化物を反応生成するための炭素の供給源
としては、メカニカルアロイングの雰囲気ガス中から例
えば二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、炭化水素系ガス
として供給されものと、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炭素および単体で添加する
黒鉛等の炭素がある。

【００５８】その雰囲気ガス中の炭素供給物質の濃度は
気化状態の体積比に換算して0.001〜50vol%の範囲とす
ることが好ましく、メカニカルアロイング時間を制御す
ることにより分散状態を制御することができる。雰囲気
ガスとしては特に二酸化炭素と一酸化炭素や炭化水素系
ガスあるいはアルゴンとアルコール系物質の混合雰囲気
が有効である。

【００５９】また金属元素粉末あるいは合金粉末中に含
有される炭素濃度は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中に含
まれる固溶炭素や炭化鉄を利用することの他、原料粉末
に炭化鉄粉末を0.05〜2.0 wt％添加しても良い。

【００６０】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。

【００６１】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中に
含まれる固溶ホウ素やホウ化鉄を利用することの他、原
料粉末にホウ化鉄粉末を0.05〜2.0 wt％添加しても良
い。

【００６２】このように固溶反応物質を利用して反応生
成物を析出させる場合には、加熱温度としては通常800
〜1200℃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。

【００６３】次いで、本発明による反応生成物の微細分
散した合金粉末混合物を熱間押出加工を含む成形加工に
より、成形加工して、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。

【００６４】このようにして得られた素材を熱処理する
ことにより＜１１１＞集合組織の著しい発達した高剛性
材料が得られる。このときの熱処理は方向性２次再結晶
処理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。

【００６５】

【実施例】

(実施例１)フェライト系マトリックスとして電解鉄粉
(平均粒子径：100 μｍ) とSi粉末の混合粉末 (Fe：Si
＝97：３) 、Fe−３Si鋼粉末 (平均粒子径：70μｍ) 、
Fe−３Si−２Al鋼粉末 (平均粒子径：70μｍ) 、Fe−３
Si−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Al、Ti、Ｙ、Nb、Ce、Zr、M
g、Ta、Ｃ、Ｂ、Fe₂O₃ 、Y₂O₃、Al₂O₃ 、Fe₄N、AlＮ、T
iＮ、Fe₃C、ZrＣ、TiＣ、Fe₃B、Nb₂B、TiＢ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。

【００６６】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、1300〜1350℃で１時
間熱処理して空冷し、高剛性材料を得た。

【００６７】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１〜４にまとめて示す。

【００６８】表１中、比較例は酸化物 (平均粒子径：60
nm) を直接添加して機械的合金化した材料である。本発
明例No.1〜８は雰囲気からの酸素による酸化の例を、例
No.9は固体酸素供給源を用いた例を、No.10 、19はそれ
らの酸素供給源を組み合わせた場合の例を、それぞれ示
すものである。

【００６９】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70nmであるのに対し、本発明
例、すなわち添加元素の酸化反応による酸化物分散粒子
は20nm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13) 、加工度が低いと発現しない (比較例11、12)。
しかし比較例11、12と同じ成形加工・熱処理条件で試作
した本発明例No.1〜10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。

【００７０】表２中、比較例は窒化物 (平均粒子径：60
nm) を直接添加して機械的合金化した材料である。例N
o.14 〜20は雰囲気からの窒素による窒化の例を、例No.
21 は固体窒素供給源を用いた例を、例No.22 はそれら
の窒化供給源を組み合わせた場合の例を、それぞれ示す
ものである。

【００７１】これらの結果を示す表２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窒化反応による窒化物分散粒子
は20nm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25) 、加工度が低いと発現しない (比較例23、24)。
しかし比較例23、24と同じ成形加工・熱処理条件で試作
した本発明例No.14 〜22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。

【００７２】表３中、比較例は炭化物 (平均粒子径：60
nm) を直接添加して機械的合金化した材料である。例N
o.26 〜33は雰囲気からの炭素による炭化の例を、例No.
34 、35は固体炭素供給源を用いた例を、例No.36 、37
はそれらの炭素供給源を組み合わせた場合の例を、それ
ぞれ示すものである。

【００７３】これらの結果を示す表３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炭化反応による炭化物分散粒子
は20nm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40) 、加工度が低いと発現しない (比較例38、39)。
しかし比較例38、39と同じ成形加工・熱処理条件で試作
した本発明例No.1〜19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。

【００７４】表４中、比較例はホウ化物 (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41〜46は固体ホウ素供給源を用いた例を示すもので
ある。

【００７５】これらの結果を示す表４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20nm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49) 、加工度が低いと発現しない (比較例47、4
8) 。しかし比較例47、48と同じ成形加工・熱処理条件
で試作した本発明例No.41 〜47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とこ
とが分かる。

【００７６】

【表１】

【００７７】

【表２】

【００７８】

【表３】

【００７９】

【表４】

【００８０】(実施例２)フェライト系マトリックスとし
て電解鉄粉 (平均粒子径：100 μｍ) とAl粉末の混合粉
末 (Fe：Al＝97：４) 、Fe−４Al鋼粉末 (平均粒子径：
70μｍ) 、Fe−４Al−1.0Y鋼粉末 (平均粒子径：70μ
ｍ) 、Fe−４Al−2.0Zr 鋼粉末 (平均粒子径：70μｍ)
、Fe−４Al−2.0Ti 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Ti、Ｙ、Nb、C
e、Zr、Mg、Ta、Ｃ、Ｂ、Fe₂O₃ 、Y₂O₃、Al₂O₃ 、Fe
₄N、AlＮ、TiＮ、Fe₃C、ZrＣ、TiＣ、Fe₃B、Nb₂B、TiＢ
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。

【００８１】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、1300〜1350℃で１時
間熱処理して空冷し、高剛性材料を得た。

【００８２】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５〜８にまとめて示す。

【００８３】表５中、比較例は酸化物 (平均粒子径：60
nm) を直接添加して機械的合金化した材料である。本発
明例No.1〜８は雰囲気からの酸素による酸化の例を、例
No.9は固体酸素供給源を用いた例を、例No.10 、19はそ
れらの酸素供給源を組み合わせた場合の例を、それぞれ
示すものである。

【００８４】これらの結果を示す表５からも分かるよう
に、比較例の分散粒子径が70nmであるのに対し、本発明
例、すなわち添加元素の酸化反応による酸化物分散粒子
は35nm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13) 、加工度が低いと発現しない (比較例11、12)。
しかし比較例11、12と同じ成形加工・熱処理条件で試作
した本発明例No.1〜10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。

【００８５】表６中、比較例は窒化物 (平均粒子径：60
nm) を直接添加して機械的合金化した材料である。例N
o.14 〜20は雰囲気からの窒素による窒化の例を、例No.
21 は固体窒素供給源を用いた例を、例No.22 はそれら
の窒化供給源を組み合わせた場合の例を、それぞれ示す
ものである。

【００８６】これらの結果を示す表６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窒化反応による窒化物分散粒子
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25) 、加工度が低いと発現しない (比較例23、24)。
しかし比較例23、24と同じ成形加工・熱処理条件で試作
した本発明例No.14 〜22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。

【００８７】表７中、比較例は炭化物 (平均粒子径：60
nm) を直接添加して機械的合金化した材料である。例N
o.26 〜33は雰囲気からの炭素による炭化の例を、例No.
34 、35は固体炭素供給源を用いた例を、例No.36 、37
はそれらの炭素供給源を組み合わせた場合の例を、それ
ぞれ示すものである。

【００８８】これらの結果を示す表７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炭化反応による炭化物分散粒子
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40) 、加工度が低いと発現しない (比較例38、39)。
しかし比較例38、39と同じ成形加工・熱処理条件で試作
した本発明例No.1〜19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。

【００８９】表８中、比較例はホウ化物 (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。例
No.41 〜46は固体ホウ素供給源を用いた例を示すもので
ある。

【００９０】これらの結果を示す表８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50) 、加工度が低いと発現しない (比較例48、4
9) 。しかし比較例48、49と同じ成形加工・熱処理条件
で試作した本発明例41〜47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とことが
分かる。

【００９１】

【表５】

【００９２】

【表６】

【００９３】

【表７】

【００９４】

【表８】

【００９５】

【発明の効果】本発明により、フェライトマトリックス
中の粒子分散状態のさらなる微細化が図られた。その結
果より低加工度、より高温の成形加工条件におけるヤン
グ率25,00 kgf/mm² 以上の高剛性材料の製造が可能とな
った。

【００９６】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１種の易反応性元素またはSi
   を未反応状態で存在させたFe−Si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う方法であって、機械的合金化処理
   に際して下記(i) ないし(iii) の少なくとも１の手段で
   もって易反応性元素またはSiの反応生成物粒子を微細に
   分散させることを特徴とする高剛性材料の製造方法。 (i) 前記粉末として酸素、窒素、炭素、ホウ素のうち１
   種以上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)酸素、窒素、炭素のうち１種以上を含有する雰囲気
   下で前記機械的合金化処理を行うこと。 (iii) 前記粉末に炭素単体あるいはホウ素を添加して前
   記機械的合金化処理を行うこと。
2. 【請求項２】 少なくとも１種の易反応性元素またはAl
   を未反応状態で存在させたFe−Al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う方法であって、機械的合金化処理
   に際して下記(i) ないし(iii) の少なくとも１の手段で
   もって易反応性元素またはAlの反応生成物粒子を微細に
   分散させることを特徴とする高剛性材料の製造方法。 (i) 前記粉末として酸素、窒素、炭素、ホウ素のうち１
   種以上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)酸素、窒素、炭素のうち１種以上を含有する雰囲気
   下で前記機械的合金化処理を行うこと。 (iii) 前記粉末に炭素単体あるいはホウ素を添加して前
   記機械的合金化処理を行うこと。