(57)【要約】【課題】強化粒子を添加することなく優れたヤング率、靱性、強度を有する鉄基合金およびその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃ：１．５〜３．６ｗｔ％、Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜２．５ｗｔ％、Ｍｏ：８〜１６ｗｔ％、Ｖ：１〜８ｗｔ％、Ｔｉ：０．１〜１ｗｔ％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金に対し、オーステナイト化温度以上の温度から急冷して固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトおよび残留オーステナイトからなる基地組織と未溶解炭化物との混合組織を得る第１の熱処理工程と、共析変態温度区間でＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物の少なくとも一方を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オーステナイトを析出させる第２の熱処理工程とにより、上記鉄基合金を得る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：１．５〜３．６ｗｔ％、Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜２．５ｗｔ％、Ｍｏ：８〜１６ｗｔ％、Ｖ：１〜８ｗｔ％、Ｔｉ：０．１〜１ｗｔ％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織中にＭＣ型炭化物、Ｍ２Ｃ型炭化物の少なくとも一方を含み、さらに焼戻しマルテンサイトを含むことを特徴とする鉄基合金。
【請求項２】
Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５ｗｔ以下、Ｂ：０．００５ｗｔ％以下のうちの１種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の鉄基合金。
【請求項３】
Ｃ：１．５〜３．６ｗｔ％、Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜２．５ｗｔ％、Ｍｏ：８〜１６ｗｔ％、Ｖ：１〜８ｗｔ％、Ｔｉ：０．１〜１ｗｔ％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金に対し、オーステナイト化温度以上の温度から急冷して固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトおよび残留オーステナイトからなる基地組織と未溶解炭化物との混合組織を得る第１の熱処理工程と、
共析変態温度区間でＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物の少なくとも一方を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オーステナイトを析出させる第２の熱処理工程と
を有することを特徴とする鉄基合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた機械的特性を有するとともに、軽量コンパクト化に好適な鉄基合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄をベースとする鉄合金や鋼といった鉄基合金は、各種の構造用金属材料として最も広く使用されている。ところで、あらゆる分野において軽量コンパクト化の要求が高まっている近年では、構造金属材料にもその要求を満たす特性が求められている。そのため、従来は高強度化を図ることで対応してきたが、そのような材料では、強度は満足しても剛性が不足し、部品によっては軽量コンパクト化が進まないのが現状である。（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
軽量化を図る上では、材料を軽金属に置換した場合、強度不足のため大型化してしまい、コンパクト化は達成し難い。また、セラミックスを用いて軽量化を図ったものもあるが、靭性が低い上にコストが高くなるなどの理由から構造材料には適さない。さらに、鉄にセラミック粒子などの強化粒子を添加した高ヤング率を示す鉄鋼材の研究も行われている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー  Ｖｏｌ．３５  ＮＯ．４（２０００．１２）第２２頁
【特許文献１】
特開平７−１８８８７４号公報（第４−６頁）
【特許文献２】
特開平７−２５２６０９号公報（第４−６頁）
【０００５】
【課題を解決しようとする課題】
しかしながら、上記強化粒子の添加においては、強化粒子と基地の密着状態が完全ではない。また、上記添加では強化粒子が結晶粒界に偏析するので理論値どおりのヤング率が得られない。さらに、強化粒子の添加量の増加に伴って粒子どうしが凝集して粗大化し靱性の低下を招く。したがって、コンパクト化と優れたヤング率等の達成との両立が困難であった。また、強化粒子の存在による高い変形抵抗と、強化粒子の結晶粒界への偏析による延性の低下は、圧延などの塑性加工を困難なものとする。このため、塑性加工によりγ粒を微細化して靱性を高めることが難しいという問題もある。一方、従来の高強度材の代表的な材料組織であるマルテンサイトは、焼戻しを施すことにより靱性を高めることができる。しかしながら、マルテンサイトは元来Ｃが少なく、かつそのＣも大部分が鉄中に固溶して存在するため高ヤング率炭化物を生成せず、ヤング率の向上は期待できない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、強度などの機械的特性が高いレベルで確保され、さらに、軽量コンパクト化が図られる鉄基合金およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、強化粒子の添加に代わるヤング率等の機械的特性向上の手段を鋭意研究した結果、特定の元素の含有量を規定するとともに、適宜な熱処理によって基地組織中にヤング率の向上に寄与し、しかも微細なＭＣ型炭化物、Ｍ２Ｃ型炭化物の少なくとも一方、および焼戻しマルテンサイトを生成させることにより、上記目的が達成され得ることを見い出した。ここでＭＣ型炭化物とは、Ｍｅｔａｌ−Ｃ系の炭化物であり、Ｍｅｔａｌ：Ｃの原子比が１：１のものをいう。またＭ２Ｃ型炭化物とは、Ｍｅｔａｌ−Ｃ系の炭化物であり、Ｍｅｔａｌ：Ｃの原子比が２：１のものをいう。また本発明者は、高い機械的特性を確保した上で、鉄基合金の軽量コンパクト化を図る手段として、ＭＣ型炭化物、Ｍ２Ｃ型炭化物の中でも鉄よりも比重の小さい炭化物の少なくとも一方を生成させることで鉄基合金の比重を抑制することが有利であるとの知見も得た。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものであって、本発明の鉄基合金は、Ｃ：１．５〜３．６ｗｔ％、Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜２．５ｗｔ％、Ｍｏ：８〜１６ｗｔ％、Ｖ：１〜８ｗｔ％、Ｔｉ：０．１〜１ｗｔ％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織中にＭＣ型炭化物、Ｍ２Ｃ型炭化物の少なくとも一方を含み、さらに焼戻しマルテンサイトを含むことを特徴としている。この場合、ＭＣ型炭化物は、Ｃに対してＶ，Ｔｉが結合して生成する晶出、析出型のＶ炭化物（ＶＣ）、Ｔｉ炭化物（ＴｉＣ）からなる。またＭ２Ｃ型炭化物は、Ｃに対しＭｏが結合して生成する析出型のＭｏ炭化物（Ｍｏ２Ｃ）からなる。
【０００８】
図１は、本発明の鉄基合金の金属組織を模式的に示したものである。この組織は、同図に示すように、高い強度および靭性を示す焼戻しマルテンサイト（Ｍ）と、高い靱性を示すオーステナイト（γ）とからなる基地組織中に、ヤング率の高いＶＣなどのＭＣ型炭化物（ＭＣ）および  Ｍｏ２ＣなどのＭ２Ｃ型炭化物（Ｍ２Ｃ）が点在している。したがって、本発明の鉄基合金は、上記組織により高ヤング率、高靱性および高強度を示すことから、従来の鉄基合金に比して優れた機械的特性を実現することができる。
【０００９】
また本発明では、ヤング率等を向上させるために、鉄基合金中にＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物を晶出または析出させている。従来はヤング率向上の手段としては、鉄基合金中に酸化物や窒化物を晶出等させるものがあった。しかしながら、酸化物や窒化物は生成エネルギーが低いため晶出し易く、晶出すると比重差により偏析が生じる。また凝固の際に余剰の酸素や窒素は気泡となり、ヤング率、強度の低下をもたらす。これに対し、炭化物を用いると、ほとんどの炭化物は生成エネルギーが高いので、晶出よりも析出により生成する傾向が強い。析出は固相から生成される反応であり、炭化物は均一に凝固した固相に均一に析出する。また余剰炭素は基地成分である鉄に溶け込み、気泡を生じることはない。このことから、炭化物を用いることで、偏析や気泡のない高い品質の高ヤング率、高強度な鉄基合金を提供することができる。なお、本発明の鉄基合金に含まれる元素のうち、炭化物構成元素Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉの含有量を上記適量範囲内でより多くすることで、鉄基合金の比重をより小さくすることもできる。
【００１０】
このような鉄基合金においては、Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５ｗｔ以下、Ｂ：０．００５ｗｔ％以下のうちの１種以上を含むことが望ましい。Ｎｂは炭化物生成元素であり、一方ＣｒおよびＢは基地強化元素である。したがって、本発明の鉄基合金では、ＣｒおよびＢの添加によりさらに優れた機械的特性を実現することができ、Ｎｂの添加によりさらに優れた機械的特性およびコンパクト化を実現することができる。
【００１１】
つぎに、本発明の鉄基合金の製造方法は、上記本発明の鉄基合金を好適に製造する方法であって、Ｃ：１．５〜３．６ｗｔ％、Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜２．５ｗｔ％、Ｍｏ：８〜１６ｗｔ％、Ｖ：１〜８ｗｔ％、Ｔｉ：０．１〜１ｗｔ％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄基合金に対し、オーステナイト化温度以上の温度から急冷して固溶化処理を施し、これによってマルテンサイトおよび残留オーステナイトからなる基地組織と未溶解炭化物との混合組織を得る第１の熱処理工程と、共析変態温度区間でＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物の少なくとも一方を析出させた後に冷却し、これによって低炭素オーステナイトを析出させる第２の熱処理工程とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の製造方法は、まず、上記組成からなる鉄基合金の材料を溶製などの手段によって得る。次に、必要に応じて塑性加工等の成形加工を行った後に、第１の熱処理工程でＭｏ系炭化物が完全に固溶する９００  ℃以上、好ましくはＶ系炭化物がより多く固溶する１０００℃以上の温度に加熱保持してから急冷する。急冷用の冷媒は、材料を十分に急冷可能な容量を有していれば水を用いてもよく、その場合に焼割れなどの問題が生じるようであれば、油冷または塩浴焼入れを採用することができる。第１の熱処理工程によって得られる組織は、マルテンサイトと残留オーステナイトの基地組織と、主にＶ系炭化物である固溶されない未溶解炭化物との混合組織である。
【００１３】
第２の熱処理工程は、第１の熱処理工程で得られた材料に対し焼戻しを行ってＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物を生成させるとともに、低炭素オーステナイトを析出させる工程である。焼戻しは、Ａ１変態温度未満では析出に長時間を要し、Ａ１変態温度より高い温度では、マルテンサイトと残留オーステナイトが完全に変態してフェライトおよびパーライトの混合組織となり、強度が低下する。そこで、焼戻しは、共析変態温度（Ａ１変態温度）で所定時間保持した後冷却する。このとき、ＮｉおよびＭｎを含むことにより共析変態温度は操業上の温度ばらつきを許容し得る温度区間を生じる。なお、他の元素の添加量の変動があっても、十分な温度区間を確保するためには、Ｎｉ，Ｍｎの添加量はともに０．５％以上とすることが必要である。前記温度区間内では、フェライト、オーステナイト、炭化物の三者の共存領域が形成されるので、この領域内に所定時間保持することにより、マルテンサイトは焼戻しマルテンサイトおよびオーステナイトに変態する。これらの変態の結果、過飽和のＶおよびＭｏが炭化物として析出する。これらの炭化物のうち、Ｖ炭化物は、まずＶ２ＣとしてＴｉＣを核に析出し、保持時間の経過に伴いマルテンサイトの分解によって生じる炭素の供給を受け、Ｖ８Ｃ７（ほぼＶＣといえる）に変化する。これに対しＭｏ炭化物は、ＴｉＣを核として析出するＶＣに伴われてＭｏ２Ｃとして析出する。保持時間が短いと、特にＶ炭化物のＭＣ化が不十分となり好ましくない。また保持時間が長いと焼戻しマルテンサイトがオーステナイトに変態し、そのオーステナイトに炭素が固溶していくので、Ｖ８Ｃ７やＭｏ２ＣはＶ２Ｃや（ＦｅＭｏＭｎ）３Ｃに変化してしまい好ましくない。なお、（ＦｅＭｏＭｎ）３ＣとはＦｅ３ＣのＦｅの一部がＭｏおよびＭｎに置換されたものであり、Ｍ３Ｃ型炭化物の一種である。そこで、上記保持時間は、ＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物が得られる６０分〜４２０分の範囲のうち、これらの炭化物の体積率が最大となる９０分〜３９０分とすることが望ましい。
【００１４】
つぎに、保持後の冷却段階においては、Ｎｉを０．５〜２．５ｗｔ％含むことによりＡ１変態点以下の温度においてフェライトからオーステナイトを生じる変態が起こる。なお、上述したとおり、Ｎｉに加えてＭｎを０．５〜１．７ｗｔ％含むことが好適であるが、これは共析変態温度区間がより拡大するので操業管理が容易になるからである。このようにして生成するオーステナイトは固溶している炭素量が少ないので、きわめて高い靱性と延性を有する。Ｎｉ、Ｍｎの添加量は、Ａ１変態を完全に終了させる必要があるため、Ｎｉは２．５ｗｔ％以下、Ｍｎは１．７ｗｔ％以下とする。またこの冷却段階においては、マトリックスが完全にオーステナイト化しないため、急冷しても焼き割れ等を発生することはない。これは組織が焼戻し途中のマルテンサイトであるためである。炭化物全体に占めるＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物は、焼戻しマルテンサイトに固溶されるＣを除いて、シュミレーションではほぼ１００％となることが確認されている。
【００１５】
このような第１および第２の熱処理によって得られた材料組織は焼戻しマルテンサイトと低炭素オーステナイトからなる基地組織中にＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物が点在する組織となるので、高い強度およびヤング率と、優れた靱性を示す。また、酸化物や硼化物の代わりに鉄よりも比重の小さな炭化物を点在させたことで、軽量コンパクト化に適した鉄基合金が得られる。
【００１６】
本発明の鉄基合金中に含まれる上記ＭＣ型炭化物（Ｍ２Ｃ型炭化物）は、その含有量が多ければ多いほどヤング率が高まるが、体積率が１００％の場合にはセラミックスであり、靱性、延性、機械加工性、コストなどの諸条件をバランスよく満足させる上で、適宜な量が求められる。ＭＣ型炭化物（Ｍ２Ｃ型炭化物）は、靱性、延性等の機械的特性の面からは体積率３６％が上限とされるが、コストを考慮すると体積率の上限は２５％が好ましい。また、含有量の下限としては、ヤング率を向上させる上で体積率１０％以上が必要とされる。
【００１７】
本発明で得られる鉄基合金の基地組織は、低Ｃ濃度である亜共析が好ましい。本発明の鉄基合金の基本組成は、Ｃ濃度が比較的高く、通常ならば過共析組織となる。一般的に炭素鋼は、Ｃ濃度が高いほど靱性および延性は低下し、これは、炭化物が片状に晶出することに起因する。そこで、基地組織を亜共析化させて低Ｃ濃度にするには、共析温度よりも高い温度で炭化物を生成させて基地組織のＣ濃度を低下させる。そのためには、Ｆｅよりも活性でヤング率の高い炭化物を生成する元素の添加が有効であり、上記Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｂなどがそれらに好適な元素である。溶融状態から固化する際の初晶あるいは初析におけるこれら元素の炭化物により、基地組織のＣ濃度が共析濃度を下回り、亜共析化する。亜共析化した基地組織の炭素は、固溶化処理によりマルテンサイト化され、析出処理により焼き戻しマルテンサイトとなる。析出処理により、一部のオーステナイト化した基地組織からは炭素がセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）として球状に析出する。セメンタイトは、網目状よりは片状、片状よりは球状の方が靱性および延性が向上する。そのため、基地組織は亜共析が好ましい。
【００１８】
次に、本発明の鉄基合金に含まれる各元素の数値限定の根拠を述べる。
Ｃ：１．５〜３．６ｗｔ％
Ｃは、Ｍｏ，Ｖとともに炭化物を生成するための必須元素である。通常の炭素鋼では、このＣ含有量は鋳造領域であるが、セメンタイトの生成温度よりも高温でＴｉ，Ｖ，Ｍｏの炭化物を生成してしまうため、オーステナイトのＣ最大固溶濃度以下とする。Ｃ含有量が１．５ｗｔ％を下回ると、Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉの最小含有量で基地組織が共析変態しなくなってしまう。一方、Ｃ含有量が３．６ｗｔ％を超えると、オーステナイトの固溶限界以上となり、液相からセメンタイト、黒鉛が晶出して、靭性低下および延性低下により強度が著しく低下する。したがって、Ｃの含有量は１．５〜３．６ｗｔ％とした。
【００１９】
Ｍｎ：０．５〜１．７ｗｔ％
Ｍｎは脱酸効果を有することから鉄鋼には必ず添加される。さらに、Ｓと化合物を形成することにより、被削性の向上に寄与する。また、Ｎｉと合わせて添加することにより、本発明における第２の熱処理工程において共析変態温度に操業のばらつきを許容し得る温度区間を拡大させ、その区間内でのＭＣ型炭化物（Ｍ２Ｃ型炭化物）の生成を容易にする。また、保持後の冷却段階においてオーステナイト生成を補助する。Ｍｎ含有量が０．５ｗｔ％を下回ると、Ｎｉとの併用添加による本発明の第２の熱処理工程における上記温度区間拡大効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．７ｗｔ％を超えると最終組織中に、Ｃを多く固溶した高炭素オーステナイト相が現れるため、強度、靱性および延性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．５〜１．７ｗｔ％とした。
【００２０】
Ｎｉ：０．５〜２．５ｗｔ％
Ｎｉは、本発明における第２の熱処理工程において共析変態温度に操業のばらつきを許容し得る温度区間を生じさせ、その区間内でのＭＣ型炭化物（Ｍ２Ｃ型炭化物）の生成を可能にする。また、保持後の冷却段階においてフェライトからオーステナイトを生成させ、材質の剛性、強度および靱性を向上させる。Ｎｉ含有量が０．５ｗｔ％を下回ると上記温度区間拡大効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が２．５ｗｔ％を超えると最終組織中に、Ｃを多く固溶した高炭素オーステナイトが現れるため、強度、靱性および延性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０．５〜２．５ｗｔ％とした。
【００２１】
Ｍｏ：８〜１６ｗｔ％
ＭｏはＣと反応してＭｏ２Ｃ、ＭｏＣを生成し、ヤング率を高める元素である。その含有量が８ｗｔ％よりも少なくなると、炭化物の生成量が少なくなり、ヤング率の上昇が望めない。Ｍｏ含有量が８ｗｔ％の場合には、Ｍ２Ｃの体積率は４％となり、Ｔｉ，Ｖの含有量が最小であっても鉄基合金のヤング率は２２５ＧＰａとなる。一方、Ｍｏ含有量が１６ｗｔ％を超えると炭化物の体積率が多くなりすぎて靭性の低下を招く。Ｍｏ含有量が１６ｗｔ％の場合には、Ｍ２Ｃの体積率は１６％となり、この値はＴｉ，Ｖの含有量が最大の場合には３６％となる。したがって、Ｍｏ含有量は８〜１６ｗｔ％とした。
【００２２】
Ｖ：１〜８ｗｔ％
Ｖは、晶出および析出の双方の生成形態で炭化物を生成する元素である。Ｖ炭化物は密度が低く鉄よりもヤング率が高い。また、鉄との相性も良く、高速度鋼などにも用いられる。Ｖは生成エネルギーが高いため、高温で生成し、低温で生成する炭化物の核となり、Ｍ２Ｃ型の複炭化物となる。そのためには、Ｍ６Ｃの生成温度よりも高い温度で生成する必要があり、１ｗｔ％の含有量が必要となる。一方、その含有量が８ｗｔ％を越えると、ヤング率の上昇が頭打ちとなる。そのため添加量の上限を８ｗｔ％とする。したがって、Ｖの含有量は１〜８ｗｔ％とした。
【００２３】
Ｔｉ：０．１〜１ｗｔ％
ＴｉもＶと同様に、晶出および析出の双方の生成形態で炭化物を生成する元素である。Ｔｉ炭化物はＶＣよりも高温で晶出するため、他の炭化物の核と成り易く、Ｍ２Ｃ型複炭化物を生成し易い。ＴｉＣはＴｉの比重が小さいため、Ｔｉの含有量が少なくても十分な量のＴｉＣが生成される。鉄基合金のヤング率を１０ＧＰａ以上向上させるにはＴｉの含有量は０．１ｗｔ％以上必要である。一方、１ｗｔ％を超えてＴｉを含有させると、Ｔｉ炭化物は高温で生成されるため、基地組織が粗大化し易く、このため鉄基合金の疲労強度が低下する。したがって、Ｔｉの含有量は０．１〜１ｗｔ％とした。
【００２４】
Ｓｉ：０．５ｗｔ％以下
Ｓｉについては、本発明においてはその含有量を限定した元素ではないが、不可避的不純物元素として鉄基合金には必ず含まれているので、ここでその含有量についても好適範囲を示す。Ｓｉは脱酸効果を有する元素である。また強力なフェライト生成元素であり、高炭素材では黒鉛を生成する。黒鉛はヤング率、機械的特性を低下させるため、Ｓｉ含有量は０．５ｗｔ％以下とすることが望ましい。したがって、Ｓｉ含有量は０．５ｗｔ％以下とするこことが望ましい。
【００２５】
さらに、炭化物生成元素として次の元素を含有させることもできる。
Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下
Ｎｂは、Ｖと同様に炭化物生成元素として有効であり、晶出、析出双方の形態で生成する。Ｎｂ炭化物（ＮｂＣ）はＶ炭化物（ＶＣ）よりも比剛性がやや劣り、ヤング率の上昇よりも基地組織の強化に有効に寄与する。これらを鑑み、Ｎｂ含有量は０．６ｗｔ％以下とした。
【００２６】
つぎに、基地組織の強化のために含有させることが有効な元素を示す。以下に示す含有元素は単独または複数の組合せの含有が可能である。これらの元素は従来も鉄鋼の強化に用いられてきた。
Ｃｒ：１５ｗｔ％以下
Ｃｒ含有量は工具鋼並みとし、最大含有量は１５ｗｔ％とした。なお、構造用鋼として使用する場合の含有量は、３．５ｗｔ％以下が望ましい。
【００２７】
Ｂ：０．００５ｗｔ％以下
Ｂの添加量はＢ鋼並みとし、最大含有量は０．００５ｗｔ％とした。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
下記の各実施例および各比較例の鉄基合金を製造し、これらのヤング率、靱性（ＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物等の体積率で考察）および強度（疲労強度で考察）、ならびに比重（密度で考察）を考察することにより、優れた機械的特性の実現と軽量コンパクト化に対する適正化とを両立しているか否かについて検討した。
【００２９】
表１に示す実施例１〜５および比較例１〜９の各成分の鉄基合金材料をそれぞれ１５０ｋｇ溶解して調製した後、鋳造、熱間圧延を経て直径３０ｍｍの丸棒状のサンプルを得た。なお、これらのサンプルは、表１に示す成分を有する各粉末材料から焼結鍛造により作製してもよい。これらのサンプルにつき、各実施例については、１１００℃の温度に保持した状態から水冷する第１の熱処理工程を行い、続いて、６４０℃で１時間加熱した後に空冷する第２の熱処理工程を行った。これに対し、各比較例については、一般的な浸炭処理、すなわち焼入れ後低温焼戻しを行った。その後上記各実施例および各比較例のサンプルを切削加工して、各テストピースを作製した。
【００３０】
【表１】
2004156082.tif 000003
【００３１】
次いで、上記各実施例および各比較例の各テストピースにつき、ヤング率、炭化物の体積率：ＭＣ％（ＶＣ，ＴｉＣ）、Ｍ２Ｃ％（Ｍｏ２Ｃ）、Ｍ３Ｃ％（Ｆｅ３Ｃ，（ＦｅＭｎＭｏ）３Ｃ）、Ｍ６Ｃ％の総和であるＶｆ％、疲労強度、ならびに比重（密度）を調べた。ここで、ＭＣ型炭化物であるＶＣと、Ｍ２Ｃ型炭化物であるＭｏ２Ｃとは、ヤング率の向上に最も寄与する重要な炭化物である。また、Ｍ６Ｃは金属元素６（Ｗ，Ｆｅ，Ｍｎのうちの１種または２種以上）に炭素１が結びついた炭化物で、ヤング率の向上にはほとんど寄与しない。なお、上記各項目の測定方法は以下の通りである。
【００３２】
・ヤング率
超音波法を用いた。すなわち、超音波をテストピースに当てて縦波と横波の反射時間から速度を計り、比重から算出した。
・炭化物の体積率
Ｘ線回折装置（ＲＩＧＡＫＵ社製：ＲＩＮＴ−２０００）を用いて測定した。
・疲労強度
小野式回転曲げ疲労試験機（東京試験機製作所社製：ＦＴＯ−１０Ｈ）を用いて測定した。テストピースは平滑試験片を用いた。
・比重
アルキメデスの原理に基づき、試験片の大気中での重量と、上皿秤に水の入った容器を乗せたときの秤量値に対して、その容器の水中に試験片を吊したときの秤量値の増分とをそれぞれ計って算出した。水の入った容器の水中に試験片を吊したときの秤量値の増分は試験片にかかる浮力に等しく、その浮力は、試験片が押しのけた水の重量に等しいので、秤量値の増分と水の密度から、試験片の体積が求められる。求めた体積と試験片の大気中の重量から、試験片の比重が求められる。
これらの測定結果を表２に示す。なお、各種炭化物の析出処理時間も併記する。
【００３３】
【表２】
2004156082.tif 000004
【００３４】
表２の測定結果によれば、本発明の各実施例では、ヤング率が２４０ＧＰａ以上であり、炭化物の体積率が１０〜３６Ｖｆ％で適正範囲内にあり、疲労強度が６１０ＭＰａ以上であって、密度が７．８９ｇ／ｃｍ３以下であった。これらはどれも優れた結果を示しており、このため各実施例については、ヤング率、靱性、強度などの機械的特性が高いレベルで確保され、さらに軽量コンパクト化に適した鉄基合金であることが判る。
【００３５】
図２は、実施例１の鉄基合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。この写真によると、基地組織は、第１の熱処理によりマルテンサイト化した後、第２の熱処理により焼戻された焼戻しマルテンサイト組織とオーステナイトであり、そこにＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物が分散している。したがって、実施例１の鉄基合金は、優れた機械的特性を実現した上で、軽量コンパクト化に適したものであることが確認された。
【００３６】
これに対し、各比較例では、上記各測定項目の測定値の少なくともいずれかが各実施例の測定値に比して劣っており、このため各比較例は、優れた機械的特性と軽量コンパクト化に対する適正化とを両立し得ない鉄基合金であることが判る。具体的に見てみると、比較例１はＣの含有量が少ないために、ＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物等の体積率が測定不可能であり、このため優れたヤング率が得られていない。比較例２は、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖの含有量が少ないため炭化物量が不足し、優れたヤング率が得られていない。またＴｉ，Ｖが含有されていないため炭化物の析出時間が長く、硬度低下に起因して優れた疲労強度が得られていない。比較例３は、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖの含有量が少ないため炭化物量が不足し、優れたヤング率が得られていない。またＶが含有されていないため炭化物の析出時間が長く、硬度低下に起因して優れた疲労強度が得られていない。比較例４は、Ｖが含有されていないため炭化物量が不足し、優れたヤング率が得られていない。またＴｉ，Ｖが含有されていないため炭化物の析出時間が長く、硬度低下に起因して優れた疲労強度が得られていない。比較例５は、Ｍｏの含有量が過剰であるため優れた密度が得られていない。比較例６は、Ｖの含有量が過剰であるため炭化物量が過剰となり、靱性の低下に起因して優れた疲労強度が得られていない。比較例７は、Ｔｉの含有量が過剰であるため炭化物量が過剰となり、靱性の低下に起因して優れた疲労強度が得られていない。比較例８は、Ｔｉ，Ｖの代わりにＮｂを含有しているので優れた密度が得られていない。またＴｉ，Ｖが含有されていないため炭化物量が不足し、優れたヤング率が得られていない。比較例９は、Ｔｉ，Ｖの代わりにＢ，Ｃｒを含有しているので炭化物量が不足し、優れたヤング率が得られていない。またＣｒを含有することから、基地組織のフェライト化と炭化物の析出に時間がかかり、硬度低下に起因して優れた疲労強度が得られていない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉄基合金に関し強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、疲労強度等の各種特性が高いレベルで確保され、さらに、これらの特性を確保する上で比重の上昇が抑えられる。したがって、本発明の鉄基合金は、軽量コンパクト化に好適であるため有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄基合金の金属組織を模式的に示す図である。
【図２】実施例１の鉄基合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
Ｍ…マルテンサイト、ＭＣ…ＭＣ型炭化物、Ｍ２Ｃ…Ｍ２Ｃ型炭化物、γ…オーステナイト。
【図１】
2004156082.tif 000005
【図２】
2004156082.tif 000006