WO2019073682A1 - 高剛性Ｆｅ基合金 - Google Patents

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WO2019073682A1
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鉄井　利光
雅晶 近藤
杉山　知平
Original Assignee
国立研究開発法人物質・材料研究機構
株式会社豊田自動織機
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron

Definitions

  • the present invention relates to a high-rigidity Fe-based alloy, and more particularly to a high-rigidity, high-yield strength, and ductile-good Fe-based alloy suitable for use as a shaft material or the like of a turbocharger for a passenger car.
  • the increased stiffness of the shaft material reduces run-out during high speed rotation, thereby reducing contact of the turbine wheel with the housing.
  • the resonance frequency is increased, there is an advantage that the resonance is suppressed even when the motor is rotated at high speed.
  • Patent Document 1 a strengthening phase consisting mainly of a boride of Group 4A (titanium group) is dispersed in a matrix phase consisting mainly of iron, and the proof stress (0.2% when the Young's modulus is 230 GPa or more).
  • a rotary shaft member characterized by having a high rigidity portion made of an iron-based composite material having a proof stress of 450 MPa or more.
  • Patent Document 2 the boride of Group 4A element dispersed in the matrix in a high rigidity steel including a matrix of iron or an iron alloy and the boride of Group 4A element dispersed and held in the matrix, and It has been proposed to prepare other boron containing compounds as well as intermetallic compounds containing Group 4A elements.
  • the stiffness 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 for the shaft material include, for example, the following points: 1) High proof stress; the stress applied to the shaft also increases as the rotational speed increases. Also, the shaft needs to be used in the elastic range. Therefore, in order to cope with the increase in applied stress caused by the higher speed rotation, the shaft material needs to have a high yield strength (i.e., an elastic stress area). 2) having a certain degree of ductility; a certain degree of ductility is required to improve the machinability during manufacture and to ensure the reliability of the product.
  • Patent Documents 1 and 2 are excellent in rigidity, but have a problem in that they are significantly inferior in machinability. This point is also pointed out in Patent Document 3, and is considered to be caused by the fact that the volume fraction of boride in the material is too large.
  • the conventional method for producing a high-rigidity material is limited to the powder metallurgy method, there is concern that the product cost will be high and the price competitiveness of products such as shafts will be reduced.
  • the object of the present invention is to provide an Fe-based alloy which can be manufactured by a general manufacturing method such as a melting method and a rolling method, has high rigidity, high proof stress and good ductility.
  • the Fe-based alloy preferably contains at least two elements selected from the group consisting of Cr, W, C, and B.
  • the Fe-based alloy preferably contains at least two elements selected from the group consisting of Mo, W, Si, and Ti.
  • the Fe-based alloy preferably contains Cr and B as essential elements.
  • an Fe-based alloy which can be manufactured by a general manufacturing method such as a melting and rolling method, has high rigidity, high proof stress, and has good ductility.
  • the photograph which shows the external appearance of the ingot produced in the Example The photograph which shows the external appearance of the grooved roll rolling material produced in the Example.
  • the schematic diagram which shows the test piece shape for the room temperature tension test in an Example The schematic diagram which shows the test piece shape for the Young's modulus measurement test in an Example.
  • iron (Fe) is a basic constituent element.
  • Chromium (Cr) improves the Young's modulus of the matrix and enhances the rigidity of the Fe-based alloy.
  • the compounding ratio of Cr at the time of alloy preparation 0 at% or more and 37.5 at% or less are preferable. If the blending ratio of Cr exceeds 37.5 at%, the ductility of the Fe-based alloy may be reduced.
  • 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 still more preferably 12.0 at% or more. Further, the blending ratio of Cr is more preferably 35.0 at% or less, still more preferably 32.5 at% or less, still more preferably 30.0 at% or less, 25.0 at% It is even more preferred that
  • Molybdenum (Mo), tungsten (W) and titanium (Ti) form precipitates by blending these elements to increase the strength of the Fe-based alloy.
  • the compounding ratio of Mo at the time of producing the alloy is preferably 0 at% or more and 8.0 at% or less.
  • the compounding ratio of W at the time of production of the alloy is preferably 0 at% or more and 3.5 at% or less.
  • the compounding ratio of Ti at the time of producing the alloy is preferably 0 at% or more and 5.0 at% or less.
  • Silicon (Si) contributes to solid solution strengthening of the matrix phase.
  • the compounding ratio of Si at the time of alloy preparation 0 at% or more and 7.0 at% are preferable. If the compounding ratio of Si exceeds 7.0 at%, the ductility of the Fe-based alloy may be reduced.
  • Carbon (C) and boron (B) improve the Young's modulus of the matrix by the formation of precipitates by blending these elements, and increase the rigidity of the Fe-based alloy.
  • the compounding ratio of C at the time of producing the alloy is preferably 0 at% or more and 4.0 at% or less.
  • the blending ratio of B at the time of production of the alloy is preferably 0 at% or more and 10.0 at% or less. If the compounding ratio of C and B exceeds the above values, the ductility of the Fe-based alloy may decrease.
  • the Fe-based alloy of the present invention contains B as an essential element.
  • the compounding ratio of B is more preferably at least 0.1 at% or more, and still more preferably 3.0 at% or more.
  • Alloy index P 1 is a measure for the stiffness of the Fe-based alloy (Young's modulus) improved. Cr and W themselves have a higher Young's modulus than Fe alone, and C and B each show a Young's modulus higher than Fe by forming a compound. In order to complete the present invention, even if the blending ratio of these elements is within the preferable range alone, the rigidity of the Fe-based alloy is comparable to that of the conventional material, or the rigidity improving effect is obtained.
  • the Fe-based alloy of the present invention Cr, W, C and B may be compounded singly or in combination of two or more, as long as the alloy index P 1 is in the range of 12.0 to 20.5. May be blended.
  • the Fe-based alloy of the present invention contains at least two elements selected from the group consisting of Cr, W, C and B.
  • Alloy index P 2 is a measure for the strength (strength) improvement in Fe-based alloys.
  • Si is a covalent bond atom, and the strength improvement of the Fe-based alloy by solid solution can be expected. Since Ti easily forms carbides, it is considered to contribute to the improvement of the strength of the Fe-based alloy. Also, Mo and W themselves exhibit higher strength than Fe alone. In order to complete the present invention, even if the blending ratio of these elements is within the preferable range alone, the strength of the Fe-based alloy is comparable to that of the conventional material, or the strength improvement effect is obtained.
  • the compounding ratio of each component element (at%) 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.
  • alloys index P 2 is less than 6.5, there is a case where the strength improving effect of the Fe-based alloy can not be sufficiently obtained.
  • alloys index P 2 exceeds 12.0, there is a case where the ductility of the Fe-based alloy is lowered.
  • Fe-based alloy of the present invention as long as it is within the range of alloys index P 2 is 6.5 ⁇ 12.0, Mo, W, Si, Ti may be blended singly or in combination of two or more May be blended.
  • the Fe-based alloy of the present invention contains at least two elements selected from the group consisting of Mo, W, Si and Ti.
  • the Fe-based alloy of the present invention contains the above-mentioned component elements in a predetermined range, and the remainder is a composition comprising Fe and unavoidable impurities. Therefore, a product such as a shaft material of a turbocharger for a passenger car is melted and rolled And so on.
  • 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 the resonance method.
  • the Young's modulus of the shaft material currently put to practical use is about 205 GPa. Therefore, in the present invention, 230 GPa is set as a reference value indicating stiffness superior to that of the conventional material.
  • 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 using a material that can withstand practical use, as described in, for example, Patent Document 1, it is also possible to set 450 MPa as a reference value according to the design requirements and the like. In the present invention, in view of the need for a shaft material having a higher proof stress in recent years, 700 MPa was set as a reference value showing a proof stress superior to that of the conventional material.
  • the Fe-based alloy of the present invention exhibits ductility of 1% or more in a room temperature tensile test.
  • 1% is set as a reference value having a machinability which is superior to that of a conventional material and as a standard for securing safety during use.
  • the alloy index P 1 is 12.0
  • alloys index P 2 is 7.25.
  • composition 2 > 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 balance is Fe And Fe-based alloy consisting of unavoidable impurities.
  • the alloy index P 1 is 12.0
  • alloys index P 2 is 9.75.
  • composition 3 > 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 balance is Fe and unavoidable Base alloy consisting of organic impurities.
  • the alloy index P 1 is 12.0
  • alloys index P 2 is 10.5.
  • 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 balance is Fe and unavoidable Base alloy consisting of organic impurities.
  • the alloy index P 1 is 13.13
  • alloys index P 2 is 8.5.
  • the alloy index P 1 is 14.38
  • alloys index P 2 is 8.25.
  • 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 balance is Fe And Fe-based alloy consisting of unavoidable impurities.
  • the alloy index P 1 is 15.75
  • the alloy index P 2 is 9.2.
  • 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 balance is Fe and unavoidable Base alloy consisting of organic impurities.
  • alloys index P 1 is 17.25
  • alloys index P 2 is 9.5.
  • composition 8 > 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 composition 8, alloys index P 1 is 18.63, alloys index P 2 is 7.5.
  • 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.
  • 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 balance is Fe And Fe-based alloy consisting of unavoidable impurities.
  • the alloy index P 1 is 19.38
  • the alloy index P 2 is 7.0.
  • 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 balance is Fe And Fe-based alloy consisting of unavoidable impurities.
  • the alloy index P 1 is 19.94
  • alloys index P 2 is 7.5.
  • 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, alloys index P 2 is 7.5.
  • 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 balance is Fe And Fe-based alloy consisting of unavoidable impurities.
  • the alloy index P 1 is 20.5
  • alloys index P 2 is 9.7.
  • the above-mentioned Fe-based alloy of the present invention may be manufactured by melting raw materials of the respective component elements and using a manufacturing method such as a rolling method.
  • 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 produced by high-frequency melting using a zirconia crucible.
  • electrolytic iron, ferrochrome, massive raw material of Si, granular raw materials of Mo, W, C, TiB 2 powder, B 4 C powder are used, and the total weight is about 1.2 kg.
  • the dissolution atmosphere is in argon gas.
  • Casting was carried out on a cast iron mold with an inner diameter of 40 mm, cutting was carried out at a position shown by a dotted line in FIG. 1 by means of pouring water cutting, and the lower side (about 90 mm in length) was subjected to grooved roll rolling.
  • Step 3 heat treatment and structure observation
  • Step 4 Characteristic Evaluation
  • Two types of test pieces shown in FIG. 3 and FIG. 4 were processed from the grooved roll-rolled material after 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 reference values for judging the quality of each characteristic.
  • FIG. 5 is a reflection electron image photograph of a grooved roll material of the invention alloy of alloy No. 1. As indicated by the arrows in FIG. 5, as a result of identification of the precipitate-containing component by EPMA, in the test material of alloy No.
  • the comparative alloy of Alloy No. 14-23 since the alloy index P 1 is less than 12.0, the Young's modulus is less than 230GPa reference value. Further, since the alloy index P 2 is less than 6.5, yield strength is less than 700MPa reference value.
  • the above embodiment is merely a specific description of the present invention, and the present invention should not be interpreted in a limited manner by the above embodiment.
  • the composition ratio of the composition elements can be changed within a range obvious to those skilled in the art, for example, the composition change within the allowable range necessarily included in the production It includes the composition change within the allowable range according to the change of the state.
  • the Fe-based alloy of the present invention is suitable for use as a shaft or the like of a turbocharger for a passenger car because it has high rigidity, high proof stress and good ductility. Furthermore, since the Fe-based alloy of the present invention can be manufactured by a general manufacturing method such as melting and rolling, it can be put to practical use while maintaining the price competitiveness of products such as shafts.

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Abstract

本発明は、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、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。本発明の一実施形態に係るＦｅ基合金は、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］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］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。

Description

高剛性Ｆｅ基合金
　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。
　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。
　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。
　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。
特開第２００１－２３４９１８号公報 特開第２００１－５９１４６号公報 特開第２０１４－２０２１５２号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
実施例で作製したインゴットの外観を示す写真。 実施例で作製した溝ロール圧延材の外観を示す写真。 実施例における室温引張試験用の試験片形状を示す模式図。 実施例におけるヤング率測定試験用の試験片形状を示す模式図。 合金番号１（発明合金）の溝ロール圧延材の反射電子像写真。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
［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。
［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。
［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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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。
　合金番号１～１３の発明合金では、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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (5)

  1. 　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、
    　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。
  2. 　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を特徴とする請求項１に記載のＦｅ基合金。
  3. 　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を特徴とする請求項１または２に記載のＦｅ基合金。
  4. 　ＣｒおよびＢを必須元素として含有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＦｅ基合金。
  5. 　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し、室温引張試験において７００ＭＰａ以上の耐力および１％以上の延性を示すことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＦｅ基合金。
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