JPWO2013150972A1 - Fe−Al系合金の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その中でも原料コストが安価であり、優れた制振性を有する金属としてFe−Al系合金が知られており、質量%でAlを2〜12%含むFe−Al系合金は軟磁気特性にも優れていることが知られている(特許文献1)。
上記の制振性に優れたFe−Al系合金の製造方法としては、Al含有量が2〜12質量%、残部Fe及び不可避的不純物からなる合金を塑性加工する工程と、塑性加工した合金を冷間圧延加工する工程、及び、断面減少率が5%以上となる条件で冷間圧延加工後の合金を400〜1200℃の温度条件下で焼鈍する工程を含む製造方法が開示されている(特許文献1)。
本発明の目的は、製造時の割れの発生を効果的に防止できるFe−Al系合金の製造方法を提供することである。
質量%でAl:2.0〜9.0%を含み、残部はFe及び不純物でなるFe−Al系合金を鋳造し、鋳型から取り出してインゴットを得るインゴット製造工程、
前記インゴットを熱間鍛造して熱間鍛造材とする熱間鍛造工程、
前記熱間鍛造材を熱間圧延して熱間圧延材とする熱間圧延工程、
前記熱間圧延材の酸化被膜を除去して冷間圧延用素材とする酸化被膜除去工程、
前記冷間圧延用素材を冷間圧延して冷間圧延材とする冷間圧延工程
および前記冷間圧延材を焼鈍する焼鈍工程、
を具備するFe−Al系合金の製造方法であって、前記インゴット製造工程において前記鋳型から取り出された前記インゴットの表面温度が250℃未満に冷却される前に、前記熱間鍛造工程における前記インゴットの加熱を開始するFe−Al系合金の製造方法である。
また、本発明においては前記Fe−Al系合金に対して、質量%で1.0%以下のNbを更に含有することができる。
また、本発明においては、前記インゴット製造工程によって得られた前記インゴットの表面温度が250℃未満に冷却される前に、前記インゴット表面の酸化被膜を除去するインゴット表面除去工程を経た後、前記熱間鍛造工程に移行することが好ましい。
また、本発明において適用する焼鈍工程は、非酸化性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
本発明の対象とするAlを質量%で2.0〜9.0%含有するFe−Al系合金は、優れた制振性を発揮する合金である。その一方で、鋳造したFe−Al系合金のインゴットは、粗い柱状組織を形成しており、結晶粒界面の結合力が小さいため粒界破壊しやすいことが確認された。加えて、Fe−Al系合金の常温での強度は低く、かつ靱性がきわめて低いことから僅かな衝撃でも割れを発生しやすいものであることが確認された。
本発明者らは、このようなFe−Al系合金の靱性について検討した。具体的には、鋳造したインゴットより、シャルピー衝撃試験用の試験片を採取して、シャルピー衝撃試験を行った。なお、シャルピー衝撃試験片を採取したインゴットの組成は、Alを8質量%含有し、残部はFeと不純物でなるものである。
これらの試験結果から、本発明者らは、結晶粒界面の結合力が小さく粒界破壊しやすいインゴットの状態であっても、250℃未満の温度域までインゴットを冷却せずに熱間鍛造に移行すれば、割れの発生リスクが低減できることを見出したのである。なお、インゴットを所定温度未満に冷却しない手法としては、ハンドリング可能な高温域で抜塊し、熱間鍛造への移行時間を短縮することが最も簡便である。もちろん、移行期間においてインゴットに対して保温や加熱を行っても良い。
なお、本発明で鋳型から取り出されたインゴットの表面温度を規定したのは、インゴットの表面が最も冷却されやすいものであるためである。インゴットの表面温度は、例えば、サーモグラフィ等の簡易温度計を用いて容易に測定することができる。
熱間鍛造工程の条件としては、例えば、インゴットを1000℃〜1200℃の温度に加熱し、850℃以上の温度で熱間鍛造を行って熱間鍛造材とするのが良い。熱間鍛造材は、粗大な結晶粒が破壊(伸展)した金属組織となっているため、熱間鍛造の後は割れを発生させることなく常温まで冷却することが可能となる。
なお、上記の微細クラックの発生をより確実に抑制するには、Fe−Al系合金インゴット表面の酸化被膜を除去するのが好ましい。Fe−Al系合金インゴットの表面形状は比較的大きな凹凸が存在し、酸化被膜は、凹凸のある表面上に形成されるため、前記の微細クラックの起点となる場合がある。そのため、Fe−Al系合金インゴット表面の酸化被膜を除去することが好ましい。
インゴット表面の酸化被膜を除去する場合も、250℃未満とならない温度域で実施する必要がある。これは、図1に示されるように、インゴットの状態では250℃未満の温度域は靭性が低く、割れの危険性があるためである。なお、インゴットの酸化膜除去は、例えば、熱間でのグラインダー研磨を用いるのがよい。これは、上記のように、Fe−Al系合金インゴットの表面形状は比較的大きな凹凸が存在し、酸化被膜は、凹凸のある表面上に形成していることから、酸化膜を除去すると同時に、インゴットの凹凸も併せて除去することができるためである。
熱間圧延材は表面に酸化被膜が形成されていることから、酸化被膜を除去して冷間圧延用の素材とする。もし、冷間圧延後の帯材に酸化膜が残存していると、例えば、酸化膜が残存した個所の制振性が劣化するおそれがある。
なお、熱間圧延材の酸化被膜の除去方法としては、物理的に除去する方法や酸洗等の方法がある。熱間圧延材の酸化被膜はおおよそ50〜100μm程度の厚さがあるため、例えば、酸洗等により酸化被膜を除去するのが好ましい。
例えば、焼鈍により結晶粒径を50〜300μmの微細なものとして、Fe−Al系合金に強度を付与するものであれば、冷間圧延工程の圧下率は50%以上であればよい。
その後、焼鈍を行って結晶粒径を調整すると共に、Fe−Al系合金に必要な制振性を付与する。このとき、Fe−Al系合金表面には硬質で薄い酸化被膜が形成されやすいため、非酸化性雰囲気中で焼鈍を行うことが好ましい。
非酸化性雰囲気としては減圧雰囲気、ガス雰囲気等が挙げられるが、連続で焼鈍できる、水素、窒素、AXガス、Arガス等のガスを選択するのが好ましい。
以上、説明した本発明で規定する製造方法で得られるFe−Al系合金は、製造時の割れの問題を防止し、厚さの薄いFe−Al系合金を効率よく生産することができる。
本発明でAlを2.0〜9.0質量%としたのは、本発明で規定するFe−Al系合金帯を制振合金として用いた場合、AlはFeに固溶することで磁歪を増加させることで制振性に寄与する。その効果はAlが2.0質量%未満であると制振性が十分に発揮できない。一方、Alが9.0質量%を超える場合、Fe3Alが析出して、加工性を損なうためである。
また、選択的に添加する第三元素としては、Feと化合物を形成して鋳造組織の結晶粒の微細化に効果を奏する元素を選択する。具体的には、Nb、Ti、Mo、W等が挙げられるが、中でも特にNbの添加が好ましい。Nbは比較的安価であることに加え、Feとの化合物を形成しやすく、鋳造組織の結晶粒界面へFe2Nb化合物を析出させ、粗い結晶粒の形成を抑制でき、粒界破壊の抑制に寄与する。更に、1質量%以下の添加であれば、熱間や冷間での加工性を阻害しないためである。
また、前述する元素以外の残部はFe及び不純物である。前述の不純物の代表的な不純物としては、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N及びOが挙げられる。これらの不純物元素は、C≦0.01質量%、Si≦0.2%、Mn≦0.2質量%、P≦0.01質量%、S≦0.005質量%、Cr≦0.05質量%、Ni≦0.05質量%、N≦0.01質量%及びO≦0.01質量%とするとよい。
また、Al量を同じとしたNo.3とNo.5では、Nbの微量添加の効果によって、200℃以上の温度域で300J/cm2の高い衝撃値が得られた。一方で、Nbを0.95%まで高めたNo.6合金は、250℃の温度域で200J/cm2の低い衝撃値であったが、破面形態は延性破壊であったので、実用化レベルと考えられる。
その後、インゴットを保熱炉から取り出し、別な加熱炉で1000℃に加熱して熱間鍛造を行い、厚さ55mmの熱間鍛造材を得ることができた。熱間鍛造材の表面は、特に大きな割れなどの欠陥は確認できなかった。
その後、熱間鍛造材の表面平坦度を出すためと、軽微な表面疵を除去するため、この熱間鍛造材の表面をグラインダーで研磨を行い、厚さ53mmの熱間鍛造材を得た。
次に、前記の熱間鍛造を用いて、1000℃に加熱を行って1000℃で熱間圧延を行い、厚さが1.7mmの熱間圧延材を得た。熱間圧延材の表面は、特に割れなどの欠陥は確認できなかった。
その後、前記の熱間圧延材に形成した酸化被膜を酸洗によって除去し、冷間圧延用素材とした。冷間圧延用素材の厚さは1.65mmであった。前記の冷間圧延用素材を用いて冷間圧延を行って厚さ0.8mmの冷間圧延材を得た。得られた冷間圧延材は、最後に800℃で焼鈍を行った。なお、焼鈍の雰囲気は、表面酸化を避けるため、不活性ガス雰囲気とした。
その後、制振性を評価するため、平均結晶粒が100μmのFe−Al系合金の冷間圧延材を用いて内部摩擦を測定した。内部摩擦の測定は日本テクノプラス株式会社製の高温弾性率同時測定装置を用いて、内部摩擦を測定した。その結果、室温にて0.1以上の内部摩擦が得られ、優れた制振性を有していることを確認した。
以上、説明する本発明のFe−Al系合金の製造方法によれば、製造時の割れの発生を効果的に防止できるとともに、厚さが0.8mm以下の優れた制振性に必要な結晶粒を有するFe−Al系合金の冷間圧延鋼帯を製造することが可能となる。
Claims (4)
- 質量%でAl:2.0〜9.0%を含み、残部はFe及び不純物でなるFe−Al系合金を鋳造し、鋳型から取り出してインゴットを得るインゴット製造工程、
前記インゴットを熱間鍛造して熱間鍛造材とする熱間鍛造工程、
前記熱間鍛造材を熱間圧延して熱間圧延材とする熱間圧延工程、
前記熱間圧延材の酸化被膜を除去して冷間圧延用素材とする酸化被膜除去工程、
前記冷間圧延用素材を冷間圧延して冷間圧延材とする冷間圧延工程
および前記冷間圧延材を焼鈍する焼鈍工程、
を具備するFe−Al系合金の製造方法であって、前記インゴット製造工程において前記鋳型から取り出された前記インゴットの表面温度が250℃未満に冷却される前に、前記熱間鍛造工程における前記インゴットの加熱を開始することを特徴とするFe−Al系合金の製造方法。 - 前記Fe−Al系合金は質量%で1.0%の以下のNbを更に含有することを特徴とする請求項1に記載のFe−Al系合金の製造方法。
- 前記インゴット製造工程によって得られた前記インゴットの表面温度が250℃未満に冷却される前に、前記インゴット表面の酸化被膜を除去するインゴット表面除去工程を経た後、前記熱間鍛造工程に移行することを特徴とする請求項1または2に記載のFe−Al系合金の製造方法。
- 前記焼鈍工程は、非酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1ないし3に記載のFe−Al系合金の製造方法。
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