(57)【要約】【課題】母材である鉄基合金に比して諸特性が向上したセラミックス分散複合材を得ることが容易なセラミックス含有添加材を作製する。【解決手段】Ｃ及びＳｉを含む鉄基合金の溶湯に対し、Ａｌを添加する。この溶湯を凝固すると、Ａｌが鉄基合金の基地組織中に固溶し、Ｓｉが固溶することを抑制する。このため、過剰Ｓｉが過剰Ｃと結合し、これによりＳｉＣが形成される。すなわち、凝固品は、ＳｉＣを含むセラミックス含有添加材である。この添加材を、例えば、鋳鉄材の溶湯に添加すれば、該添加材の母材が溶解してＳｉＣが溶湯中に分散される。この溶湯を凝固することにより、ＳｉＣが略均等に分散したセラミックス分散複合材が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス分散鉄基合金を得る際に鉄基合金の溶湯に添加されるセラミックス含有添加材であって、
３〜２５質量％のＣと、７〜３５質量％のＳｉと、７〜２０質量％のＡｌと、Ｆｅとを含有し、前記Ｃと前記Ｓｉとで形成された前記セラミックスとしてのＳｉＣを９．５〜８５体積％以上含むことを特徴とするセラミックス含有添加材。
【請求項２】
セラミックス分散鉄基合金を得る際に鉄基合金の溶湯に添加されるセラミックス含有添加材の製造方法であって、
３〜２５質量％のＣと、７〜３５質量％のＳｉとを含有し、且つ残部がＦｅ及び不可避的不純物である溶湯に対し、Ａｌを７〜２０質量％の割合で添加する工程と、
Ａｌが添加された前記溶湯を凝固体とするとともに、前記Ｃと前記Ｓｉとを化学的に結合させて前記セラミックスとしてのＳｉＣとする工程と、
を有することを特徴とするセラミックス含有添加材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス分散鉄基合金を得る際に鉄基合金の溶湯に添加されるセラミックス含有添加材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄基合金は、金属組織の形態、含有成分の種類及びその割合に応じて諸特性が様々に変化する。例えば、Ｃ量が少ない鋼材は高強度、高剛性を示し、Ｃ量が多い鋳鉄材は、強度や剛性は鋼材に若干劣るものの、鋼材に比して優れた耐摩耗性及び耐食性を示す。
【０００３】
ところで、構造材を設ける場合、該構造材に耐食性と高剛性とが同時に希求されることがある。この際、例えば、耐食性に優れる鋳鉄材を用いて鋳造を行うと、得られた構造材の剛性が十分でないことが懸念される。
【０００４】
このような観点から、金属材にセラミックスを分散させ、金属材の特性を活用しつつ、セラミックスによって希求される特性の確保を図った金属基複合材が提案されている。例えば、特許文献１では、鉄基合金の溶湯にＳｉＣ粒子を添加した後、この溶湯ないし固化物を鋳鉄に添加してＳｉＣ分散鋳造複合材とすることが検討されている。
【０００５】
このようにしてＳｉＣ等のセラミックスが分散された鉄基合金（セラミックス分散複合材）では、セラミックスが分散されていない鉄基合金に比して、例えば、ヤング率が向上していることが認められる。
【０００６】
また、特許文献２では、金属ホウ化物固溶体粒子を分散した炭化ケイ素セラミックス焼結体、又は金属ホウ化物固溶体セラミックス焼結体の少なくともいずれか一方を、マルテン系高クロム鋳鉄、高Ｎｉ合金系グレン鋳鉄、マルテン系ハイス鋼等で鋳ぐるんで鋳ぐるみ複合体とすることが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特公平７−１１０４５号公報
【特許文献２】特開２００４−３０７８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるように、鉄基合金にＳｉＣを分散させた複合材を作製する場合には、ＳｉＣを含む添加材（成形体）を鉄基合金の溶湯に添加することが一般的である。この添加材は、例えば、鉄基合金の溶湯中のＳｉ量を大きくしてＳｉＣとして析出させることで作製されている。
【０００９】
しかしながら、この場合、Ｓｉが鉄基合金の基地組織に固溶することがある。この場合、ＳｉＣの生成量が少ない添加材となり、このため、該添加材を鋳鉄材に添加して複合材を作製しても、ヤング率がさほどは向上しないという不具合が惹起される。
【００１０】
また、特許文献２記載の手法は、焼結体を鋳ぐるむものであるため、セラミックスを鉄基合金に略均等に分散させることは容易ではない。
【００１１】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、多量のＳｉＣが分散され、このために母材である鉄基合金に比してヤング率が向上したセラミックス分散複合材を得ることが可能なセラミックス含有添加材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明は、セラミックス分散鉄基合金を得る際に鉄基合金の溶湯に添加されるセラミックス含有添加材であって、
３〜２５質量％のＣと、７〜３５質量％のＳｉと、７〜２０質量％のＡｌと、Ｆｅとを含有し、前記Ｃと前記Ｓｉとで形成された前記セラミックスとしてのＳｉＣを９．５〜８５体積％以上含むことを特徴とする。
【００１３】
この添加材の母材は、鉄基合金である。従って、セラミックス分散複合材を作製するべく鉄基合金の溶湯に添加した際、母材である鉄基合金が溶湯によって速やかに溶解する。このため、セラミックス（ＳｉＣ）が溶湯中に略均等に分散するので、結局、ＳｉＣが略均等に分散したセラミックス分散複合材を容易に得ることができる。
【００１４】
しかも、この添加材においては、母材である鉄基合金の基地組織中にＡｌが固溶している。従って、Ｓｉの前記基地組織中への固溶が抑制され、このためにＣと結合するＳｉ量が多くなる。すなわち、多量のＳｉＣを含むので、該添加材を少量添加した場合であっても、諸特性が著しく優れたセラミックス分散複合材を容易に得ることができる。
【００１５】
また、本発明は、セラミックス分散鉄基合金を得る際に鉄基合金の溶湯に添加されるセラミックス含有添加材の製造方法であって、
３〜２５質量％のＣと、７〜３５質量％のＳｉとを含有し、且つ残部がＦｅ及び不可避的不純物である溶湯に対し、Ａｌを７〜２０質量％の割合で添加する工程と、
Ａｌが添加された前記溶湯を凝固体とするとともに、前記Ｃと前記Ｓｉとを化学的に結合させて前記セラミックスとしてのＳｉＣとする工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
上記したように、Ａｌが添加される本発明では、鉄基合金の基地組織にＳｉが固溶することが抑制される。このＳｉがＣと結合してＳｉＣを形成するので、ＳｉＣを多量に含む添加材を容易且つ簡便に得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、鉄基合金の溶湯にＡｌを添加して該鉄基合金の基地組織にＳｉが固溶することを抑制し、これによりＳｉＣの生成量を多くするようにしているので、多量のＳｉＣを含む添加材を容易に作製することができる。
【００１８】
しかも、この添加材の母材は鉄基合金であるので、鉄基合金の溶湯に添加された際に速やかに溶解し、ＳｉＣが溶湯中に略均等に分散する。この溶湯を凝固することで、ＳｉＣが略均等に分散したセラミックス分散複合材が得られる。このようなセラミックス分散複合材は、母材である鉄基合金に比して優れた諸特性を有する。例えば、大きなヤング率を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係るセラミックス含有添加材及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
本実施の形態に係るセラミックス含有添加材は、鉄基合金を母材とし、且つ該母材中にＳｉＣが分散されたものである。なお、鉄基合金の基地組織中には、Ａｌが固溶されている。添加材の形状は、例えば、ディスク体形状や円柱体形状とすることができるが、特にこれらの形状に限定されるものではない。
【００２１】
ここで、該セラミックス含有添加材に対して機器分析を行った場合、該セラミックス含有添加材中に存在する元素がＦｅ、Ｃ、Ｓｉ及びＡｌであることが確認される。Ｆｅは母材（鉄基合金）由来の元素であり、Ｃ、Ｓｉは、母材及びＳｉＣ由来の元素である。また、Ａｌは、上記したように鉄基合金の基地組織中に固溶して存在しているものである。
【００２２】
そして、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌの割合は、それぞれ、３〜２５質量％、７〜３５質量％、７〜２０質量％であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。
【００２３】
また、ＳｉＣは、該セラミックス含有添加材の全体積の少なくとも９．５体積％を占める。換言すれば、ＳｉＣは、９．５体積％以上の割合でセラミックス含有添加材中に存在する。なお、当初のＳｉ量が３５体積％であるので、ＳｉＣの割合は最大で８５体積％となる。
【００２４】
このセラミックス含有添加材は、鉄基合金の溶湯にＡｌを添加する第１工程と、前記溶湯を凝固させる第２工程とを経て作製することができる。
【００２５】
すなわち、先ず、第１工程において、所定量のＣとＳｉを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鉄基合金の溶湯を準備する。この中、ＳｉとＣの一部は、後述する第２工程でＳｉＣを形成することによって消費される。
【００２６】
ここで、前記溶湯におけるＣの割合は、３〜３５質量％に設定される。３質量％未満であると、第２工程時にＳｉＣの生成量が少なくなる。すなわち、ＳｉＣの含有量が少ない添加材となるので、諸特性に優れたセラミックス分散複合材を得るためには、添加材を多量に添加する必要が生じる。一方、３５質量％よりも多いと、セラミックス分散複合材を作製する際、セラミックス含有添加材を鉄基合金の溶湯に添加しても、セラミックス含有添加材の母材である鉄基合金が前記溶湯中で溶解し難いので、ＳｉＣを分散させることが容易でなくなる。
【００２７】
また、Ｓｉの割合は７〜３５質量％に設定される。上記と同様に、７質量％未満であるとＳｉＣの生成量が少なくなり、３５質量％よりも多いとＳｉＣが良好に分散したセラミックス分散複合材を得ることが容易でなくなるからである。
【００２８】
その後、この溶湯に対して、７〜２０質量％の割合となるようにＡｌを添加する。７質量％未満では、ＳｉＣの生成量が少ない。また、２０質量％を超える割合でＳｉＣを添加しても、ＳｉＣの生成量が飽和して略一定となるのでコスト的に不利となる。
【００２９】
このようにして得られた溶湯を、次に、第２工程において凝固させる。
【００３０】
この凝固時には、ＦｅとＣ、Ｓｉによって鉄基合金の基地組織が形成される。そして、次に、この基地組織中にＡｌが固溶する。このため、過剰Ｓｉが該基地組織中に固溶することが抑制される。
【００３１】
前記基地組織中に固溶されない過剰Ｓｉは、過剰Ｃと化学的に結合する。その結果、ＳｉＣが形成される。凝固がさらに進行することにより、多量のＳｉＣを含有した所定形状のセラミックス含有添加材が得られるに至る。
【００３２】
ここで、溶湯中のＳｉ量と、セラミックス含有添加材における生成ＳｉＣ量との関係をグラフにして図１に示す。なお、Ａｌ量は、無添加、７質量％、１５質量％とした。この図１から、Ａｌを添加することでＳｉＣの生成量を大きくすることができることが明らかである。
【００３３】
ＳｉＣ生成量（割合）は、溶湯に存在する当初のＳｉ量及びＡｌ添加量にもよるが、Ｓｉ、Ａｌがともに少なくとも７質量％であることから、セラミックス含有添加材の全体積の少なくとも９．５％を占める。また、Ｓｉ、Ａｌが最大で３５質量％、２０質量％であることから、最大で８５質量％となる。
【００３４】
すなわち、本実施の形態によれば、Ａｌを鉄基合金の溶湯に添加するようにしているので鉄基合金の基地組織中へのＳｉの固溶量が制御され、このために多量のＳｉＣを含有するセラミックス含有添加材を得ることが可能となる。
【００３５】
このようにして得られたセラミックス含有添加材は、上記したように、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌのそれぞれを３〜２５質量％、７〜３５質量％、７〜２０質量％含有するとともに、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。また、ＳｉＣを９．５〜８５体積％の割合で含む。
【００３６】
このセラミックス含有添加材は、例えば、鋳鉄材のヤング率を向上させるものとして使用することができる。この場合、鋳鉄材の溶湯に該セラミックス含有添加材を添加した後、鋳造を実施すればよい。
【００３７】
上記から諒解されるように、セラミックス含有添加材の母材は鉄基合金である。従って、このセラミックス含有添加材の母材は、鋳鉄材（鉄基合金）の溶湯に添加された際に速やかに溶解し、その結果、ＳｉＣが溶湯中に略均等に分散される。このため、ＳｉＣが鋳鉄材中に略均等に分散されたセラミックス分散複合材を得ることができる。
【００３８】
前記のセラミックス含有添加材をＦＣＤ４５０相当材の溶湯に添加した後に鋳造を行ってセラミックス分散複合材を得、このセラミックス分散複合材につきヤング率を測定した。比較のため、Ａｌを添加することなく作製したセラミックス含有添加材をＦＣＤ４５０相当材の溶湯に添加して作製したＳｉＣ分散複合体、及びＦＣＤ４５０相当材の各ヤング率も測定した。結果を併せて図２に示す。この図２から、Ａｌを添加したセラミックス含有添加材を用いることで、鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きなセラミックス分散複合材が得られることが明らかである。
【００３９】
また、耐摩耗性を比較したところ、Ａｌを含有するセラミックス含有添加材を添加して得られたセラミックス分散複合材の方が優れているという結果が得られた。
【００４０】
なお、上記した実施の形態においては、ＣとＳｉを含有する溶湯に対してＡｌを添加してセラミックス含有添加材を作製するようにしているが、セラミックス分散複合材の母材をいわゆる特殊鋳鉄材とするべく、他の金属元素をさらに添加してセラミックス含有添加材を構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】溶湯中のＳｉ量と、セラミックス含有添加材における生成ＳｉＣ量との関係を示すグラフである。
【図２】本実施の形態に係るセラミックス含有添加材をＦＣＤ４５０相当材の溶湯に添加して得られたセラミックス分散複合材、Ａｌ無添加のセラミックス含有添加材をＦＣＤ４５０相当材の溶湯に添加して得られたＳｉＣ分散複合材鋳鉄材、及びＦＣＤ４５０相当材の各ヤング率の測定結果である。
【図１】
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【図２】
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