(57)【要約】【課題】曲げによる割れの発生を抑制した、より高剛性の金属板を提供する。【解決手段】金属板中に金属間化合物としてTiB2を層状に分布させる。【選択図】図２
2006122948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板中に金属間化合物としてTiB2が層状に分布してなることを特徴とする高剛性金属板。
【請求項２】
表面にTiB2粉体を付着させた金属板の複数枚を重ね合わせて圧延することを特徴とする高剛性金属板の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、金属板の表面にTiB2粉体を電着塗装により付着させることを特徴とする高剛性金属板の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３において、少なくとも圧延ロール入側の金属板の表面温度を800℃以上1300℃未満とすることを特徴とする高剛性金属板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い剛性を有する金属板およびその製造方法に関するものである。
ここで、剛性とはヤング率を指し、弾性変形において、物体に応力（σ）を加えたときの歪（ε）と該応力（σ）との比弾性率σ／εで定義される。なお、ヤング率の測定方法には、古典的なユーイングの方法、サールの方法、引張試験（例えばJIS Ｚ2201に準拠した試験片による引張試験）による方法などがあるが、最近では超音波法により弾性率（ヤング率やポアソン比）を測定する方法もある。超音波法では材料を破壊すること無く、短時間かつ高精度で測定ができる。
【背景技術】
【０００２】
さて、等方的な物質の剛性はほぼ決まっており、その剛性を変化させるのは容易でない。この剛性を高める試みとして、非特許文献１には、ヤング率が約300GPaと通常の鋼に比べて約30％以上高い鋼について、ホウ化チタン（TiB2）が約40体積％分散した焼結鋼（Ultra High Modulus Steel＝UHMS）が報告されている。かような高剛性を生かす用途としては、ピストンピンなど自動車部品や工具部品などへの適用が期待されている。
【０００３】
通常の鋼のヤング率は、210GPa前後および密度当たりの比ヤング率は約26GPa・cm3／gであるのに対して、非特許文献１に記載の開発鋼はヤング率が300GPaおよび比ヤング率が約43GPa・cm3／gと、特に比ヤング率が優れている。TiB2の密度が4.5g／cm3と、鉄の7.8g／cm3に比べて小さい点が有効である。
【０００４】
実用鋼で多く利用される炭化物はヤング率が低い一方、ヤング率が700GPaと高いタングステン（Ｗ）化合物は密度が大きく、ヤング率と比ヤング率をともに高める分散強化が困難である。これは高温での焼結時にWCと鋼との間で炭化物からなる脆化相を生成するからである。ホウ化物の一つであるTiB2はヤング率が高くて密度が小さく、鋼母相に固溶しにくいことから、有効にヤング率を高めることができる。ホウ化物の多くは、鉄母相に混合すると鉄と反応しヤング率の小さい三元系化合物をつくるために、ホウ化物のうちTiB2だけが、鉄母相中で熱力学的に安定しており、分散強化材料として使える利点がある。
【非特許文献１】豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Vo.35 No.4(2000.12)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かように、金属間化合物であるTiB2粉体は、鉄母相で比較的安定して存在することができるため、鉄粉とTiB2粉体とを混合した後、冷間のプレスまたはCIPにより仮成型し、その後低温度で仮焼結してから、HIP成型により高温度で所定時間焼結することにより高剛性の材料を製造することができる。しかしながら、TiB2は鉄母相で安定して存在できる範囲が約40vol％未満であり、焼結後の材料のヤング率は約300GPaが限界であった。
【０００６】
また、上述の非特許文献１の記載にしたがって製造された高剛性金属板は焼結材であり、例えば板のように曲げ応力が作用しやすい形態の場合には、容易に破断することが問題であった。
【０００７】
そこで、本発明は、TiB2を用いて高剛性の金属板とする際の上記問題を解消し、曲げによる割れの発生を抑制した、より高剛性の金属板を、その製造方法に併せて提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされた技術であり、その要旨は次の通りである。
（１）金属板中に金属間化合物としてTiB2が層状に分布してなることを特徴とする高剛性金属板。
【０００９】
（２）表面にTiB2粉体を付着させた金属板の複数枚を重ね合わせて圧延することを特徴とする高剛性金属板の製造方法。
【００１０】
（３）上記（２）において、金属板の表面にTiB2粉体を電着塗装により付着させることを特徴とする高剛性金属板の製造方法。
【００１１】
（４）上記（２）または（３）において、少なくとも圧延ロール入側の金属板の表面温度を800℃以上1300℃未満とすることを特徴とする高剛性金属板の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、TiB2粉体を用いて高剛性化した金属板を焼結法によらずに製造できるため、曲げ割れに強い特性を有する高剛性金属板の提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の高剛性金属板は、金属間化合物としてTiB2が板厚断面の厚み方向において層状に分布してなることを特徴とするものであり、表面にTiB2粉体を付着させた金属板の複数枚を重ね合わせて圧延することによって得られる。以下、本発明の製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。
まず、TiB2粉体を付着させる金属板は、特に限定する必要はないが、金属中でも比較的ヤング率が高い鋼を用いることが好ましい。なぜなら、鋼を使用すると効率良くヤング率を高めることができるからである。金属板の厚さとしては、0.05mmの金属箔から１mm程度の厚さの金属板または金属帯が用いられる。
【００１４】
次に、上記金属板の表面にTiB2粉体を付着させ、その複数枚を重ね合わせて圧延する際に使用する圧延設備について、図１を参照して説明する。
図１において、符号１は圧延機であり、２ａおよび２ｂは圧延ロールである。この圧延ロールには、例えば直径が300〜1000mm程度のものが用いられ、その材質は高温強度の高い高速度鋼が好ましい。圧延荷重は１ton／mm以上が作用するように設定することが好ましい。符号３は圧延機入側でTiB2を挟んだ金属板を加熱する誘導加熱装置であり、４は圧延機入側に設置された静電塗布装置である。
【００１５】
この静電塗布装置４は、圧縮エアーでTiB2粉体を金属板にスプレーするが、その粉体が15000〜30000Ｖ程度の電圧が与えられた電極中を通過する時点で陰極の電位が付加される。その際、金属板はアースされているため、粉体を効率よく金属板に均一に付着することができる。なお、金属板の表面にTiB2粉体を付着させるに当たり、電着塗布以外にも、例えばエアースプレーやホッパーなどの方法を用いることができるが、金属板に均一にTiB2を塗布することが難しいため、やはり電着塗布が推奨される。
また、符号５ａおよび５ｂは金属板を案内するリールであり、６ａおよび６ｂはコイル状に巻かれた金属板である。
【００１６】
以上の構成の圧延設備において、金属板６ａおよび６ｂは、まず静電塗布装置４にて表面にTiB2粉体が付着されたのち、誘導加熱装置３において加熱され、好ましく表面温度を800℃以上1300℃未満としてから、圧延機１の圧延ロール２ａおよび２ｂ間にて圧延を行う。かくして金属板間にTiB2の粉体を挟み一体化した金属板７が得られる。
さらに、金属板７は長手方向長さが均等に分割されて再び金属板６ａおよび６ｂとして圧延設備入り側に供給し、上記した工程を繰り返し行うことによって、図２に示すように、金属板１０間にTiB2による層１１が多層にわたって存在する高剛性の金属板を製造できる。
【００１７】
かくして得られる本発明の高剛性金属板は、金属板間に挟まれた金属間化合物TiB2が圧延機手前で、金属板とともに加熱され、加熱されたまま高圧のロール間隙を通過することにより一体化されたものである。従って、ヤング率が高い金属間化合物TiB2が金属板間で一体化されるために、剛性は格段に上昇する。これは、剛性の高い金属粉体を金属板に挟むことにより、その体積分率に比例してヤング率が向上するためである。
【００１８】
一方、一体化された金属板は金属間化合物TiB2および金属板が層状となっており、その表面は延性のある金属板で形成されているので、曲げ変形の際にも割れの起点になるクラックの発生がなく、表面で割れが発生しがたく、この構造が曲げ変形時に有利に作用する。
【００１９】
ここで、TiB2粉体を金属板に挟み一体化するためには、適切な温度が必要である。そのためには、圧延機の入側にて、好ましくは金属板表面温度を800℃以上1300℃未満とすることが好ましい。すなわち、加熱温度が800℃未満ではTiB2粉体と金属板とが一体化することが困難になり、一方1300℃以上になると金属板の酸化が著しく一体化が難しくなる。また、圧延機による圧力は単位幅（mm）あたり１ton以上作用させるのが好ましい。これは、それ以下の荷重では金属間化合物TiB2の充填率が上昇せず、金属板と一体化することができても、内部に存在する空隙が割れの起点になることがあるからである。
【００２０】
なお、TiB2粉体としては、平均粒径0.5μm以上５μm以下のものが好ましい。すなわち、平均粒径が0.5μmよりも小さいと、密着塗布効率が低下する。また５μmよりも大きいと、圧延時に金属間化合物TiB2の充填率が上昇しない問題が発生する。
【実施例１】
【００２１】
（発明例１）
発明例１では、図１に示した圧延設備を用いて、Fe−0.1mass％Ｃ−1.5mass％Mnの鋼板（厚さ：0.2mmおよび幅：100mm）の表面（片面）に、電極間の電圧を20000Ｖに設定した静電塗装装置により、平均粒径５μmのTiB2粉体を鋼板片面当たり0.1mmの厚さになるように塗布し、次いで3.6KHzの高周波タイプの誘導加熱装置を用いて85kWの出力でTiB2粉体塗布後の鋼板を1000℃に加熱した。この鋼板の２枚を合わせた後、圧延荷重150tonでの圧延に供した。なお、圧延機のロール径は500mm、単位幅荷重は1.2ton／mm、そして圧延速度は20m／minの条件とし、また入側のリール張力を30MPa、出側のリール張力を50MPaに設定した。
【００２２】
以上の一回の圧延で一体化された鋼板の厚みは0.45mmであった。さらに、得られた鋼板を長手方向の中央部で２分割し、再び圧延設備の入側リールに取り付け、上記のTiB2粉体塗布、加熱および圧延を繰り返し、最終的に１mm厚の一体化した金属板を作製した。
【００２３】
ここで、TiB2粉体の平均粒径は、レーザー回折散乱法により求め正規分布した粒径分布の平均値である。また、金属板として鋼板を選定したのは、Fe自体のヤング率が高く、安価に入手できるからである。
【００２４】
（発明例２）
発明例２では、上記発明例１の製造工程において、TiB2粉体を鋼板（厚さ0.25mmおよび幅100mm）の片面当たり0.05mmの厚さになるように塗布した以外は同様にして、１mm厚の一体化された鋼板を製造した。このように発明例１と２とでは、鋼板に静電塗装するTiB2の厚さおよび鋼板の厚さを変化させることにより、TiB2粉体の体積分率を変化させた。
【００２５】
（従来例）
従来例は、純鉄粉に上記のTiB2粉体を30体積％（17.4mass％）で混合した後、CIPで予成型した後、HIPで0.01MPa（10kgf／cm2）の圧力を作用させ、1200℃で20時間加熱した後冷却して、板厚１mm、幅30mmおよび長さ300mmの板状のFe−TiB2焼結材を製造した。
【００２６】
（比較例）
比較のために、金属板としてFe−0.1mass％Ｃ−1.5mass％Mnの成分組成の鋼板（厚さ0.6mmおよび幅100mm）を用いて、該鋼板にTiB2粉体の塗布を行わない以外は、発明例１と同様にして板厚１mmの鋼板に仕上げた。
この比較例および上記従来例について、発明例１と同様にして試験片を作製した。
【００２７】
発明例１および２、従来例、そして比較例から、JIS Ｚ2201に準じて引張試験片を切り出して引張試験を行い、それらのヤング率を測定した。その結果を、図３に示すように、発明例の場合は、発明例１でTiB2を30体積％（17.4mass％）、そして発明例２で60体積％（34.8mass％）に変化させることにより、ヤング率は285 Mpaそして345MPaまで向上した。従来法では295MPaであり、TiB2の体積分率を高めることにより、従来法で製造された板よりも高いヤング率を得ることができる。ちなみに、比較材は210MPaのヤング率であった。
【００２８】
一方、本発明および従来法で作製した板厚１mm、幅30mmおよび長さ300mmの板について、曲げ試験を行った。曲げ試験では、図４に示すところに従って、曲げ工具のＲを変化させることにより、表面の割れを評価した。図４において、ｔ：１mm、Ｌ：150mmおよび荷重：500Ｎで10mm／minの速度で負荷、とした。この曲げ試験の結果を表１に示す。従来方法によって製造された金属板はいずれの曲げ条件で割れを発生したが、本発明の方法によれば極めて厳しい曲げ条件においても割れは発生しなかった。
【００２９】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の製造方法に使用する圧延設備の模式図である。
【図２】本発明の一体化された金属板を示す断面図である。
【図３】ヤング率の測定結果を示す図である。
【図４】曲げ試験方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  圧延機
２ａ，２ｂ  圧延ロール
３  誘導加熱装置
４  静電塗布装置
５ａ，５ｂ  金属板を案内するリール
６ａ，６ｂ  金属板
７  TiB2粉体をはさみ一体化された金属板
10  金属板
11  金属間化合物TiB2
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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