(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：１．５〜２．５ｗｔ％、Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、Ｍｎ：０．２５〜１．７ｗｔ％、および添付図面の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される量のＷとＶ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型炭化物を含むことを特徴とする鉄基合金。
【請求項２】
Ｔｉ：０．３ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下のうちの１種または２種を含むことを特徴とする請求項１に記載の鉄基合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高いヤング率を示すことにより剛性の向上が図られ、かつ、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。
【背景技術】
【０００２】
鉄をベースとする鉄合金や鋼といったいわゆる鉄基合金は、各種の構造用金属材料としてもっとも広く利用されている。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ものがみられるようになってきている。
【０００３】
軽量化を図る上では、材料を軽い金属に置換する手段があるが、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽合金に置換した場合、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にくい。また、セラミックス用いて軽量化を図ったものもあるが、靱性が低い上にコストが高くなる等の理由から構造材には適していない。さらに、鉄にセラミック粒子等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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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く、また、強化粒子が結晶粒界に偏析するので理論値通りのヤング率が得られないのに加え、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ので、疲労強度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、圧延等の塑性加工を困難なものとするので、塑性加工によりγ粒を微細化して靱性の向上を図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が高くなるが、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Ｆｅ３Ｃ（セメンタイト）相が少なく、Ｆｅ３Ｃ相の分散によるヤング率の向上は期待できない。
【０００５】
したがって、本発明は、強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、強度等の機械的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、結果として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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、強化粒子の添加に代わるヤング率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する微細なＭＣ型炭化物を生成させることにより、本発明の目的が達成され得ることを見い出した。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のものを言う。本発明はこのような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：１．５〜２．５ｗｔ％、Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、Ｍｎ：０．２５〜１．７ｗｔ％、および添付図面の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される量のＷとＶ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型炭化物を含むことを特徴としている。ＭＣ型炭化物は、この場合、Ｃに対してＶおよびＷが結合して生成する晶出型のＶ炭化物（ＶＣ）および析出型のＷ炭化物（ＷＣ）の組み合わせからなる。
【０００７】
図２は、本発明の鉄基合金の組織を模式的に示しており、同図に示すように、高い強度および靱性を示すマルテンサイト（Ｍ）と、高い靱性を示すオーステナイト（γ）からなる基地組織中に、ＷＣ，ＶＣ等のヤング率が高いＭＣ型炭化物（ＭＣ）が点在している。
【０００８】
本発明の鉄基合金は、Ｍｎ：０．２５〜１．７ｗｔ％を含有する。Ｍｎは脱酸効果、被削性の向上効果を奏する他、γ相の生成に寄与する。
また、本発明の鉄基合金は、Ｔｉ：０．３ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下、Ｍｏ：１０ｗｔ％以下、Ｂ：０．００５ｗｔ％以下のうちの１種または２種以上を添加させることができる。ＴｉおよびＮｂは炭化物生成元素であり、一方、ＭｏおよびＢは基地強化元素である。
【０００９】
上記の鉄基合金を好適に製造する方法としては、Ｃ：１．５〜２．５ｗｔ％、Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、Ｍｎ：０．２５〜１．７ｗｔ％、および添付図面の図１に示す線ａで囲まれた領域で示される量のＷとＶ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と残留オーステナイトの基地組織と未溶解炭化物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方法を採用することができる。
【００１０】
上記の製造方法では、まず、上記組成からなる鉄基合金の材料を溶製等の手段によって得る。このとき、Ｗ，ＶはそれぞれＷＣおよびＷ２Ｃ、ならびにＶＣおよびＶ２Ｃの状態で存在している。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Ｗ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用意できれば水を用いてもよく、その場合に焼割れ等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（γ相）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。
【００１１】
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所定の加熱処理を行ってＭＣ型炭化物を生成させるとともに、γ相を析出させる工程である。この加熱処理は、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を０．５〜２．５ｗｔ％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。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Ｗが炭化物として析出する。これらの炭化物のうち、Ｗは始めからＷＣとして析出するが、ＶはまずＶ２Ｃとして析出し、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と言える）に変化する。保持時間が短すぎると、特にＶＣ炭化物のＭＣ化が不十分となり、保持時間が長すぎる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ＷＣはＶ２ＣやＷ２Ｃに戻ってしまう。上記保持時間は３０〜１２０分の範囲でＭＣ型炭化物が得られるが、４５〜１０５分であればＭＣ型炭化物量が最大になるので望ましい。
【００１２】
共析変態温度で加熱処理を行う理由は、共析変態温度を下回る温度ではＭＣ型炭化物の生成に長時間を要し、共析変態温度を超えた温度ではマルテンサイトが速やかにオーステナイトに変態してしまうのでＭＣ型炭化物が得られず、ヤング率および強度が低下するからである。
【００１３】
次に、保持後の冷却段階において、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。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持つ。なお、Ｎｉに加えてＭｎを０．２５〜１．７ｗｔ％含むと、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。また、析出処理後の冷却時にオーステナイト生成を補助する効果もある。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明の鉄基合金中に含まれる上記ＭＣ型炭化物は、含有量が多ければ多いほどヤング率が向上するが、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、コスト等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型炭化物は、靱性、延性等の機械的特性の面からは体積率３２％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１７％以上が必要とされる。
【００１６】
ＭＣ型炭化物の比重に関しては、ＷＣが多いと高いヤング率を得るのに有効ではあるが、比重が高くなるので軽量化の点で不利になる。そこで、ＷＣとＶＣとを共存させることでベースの鉄鋼と同等もしくはそれを下回る比重を得ることができる。
【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濃度が高ければ高いほど靱性および延性は低下し、これは、炭化物が網目状に析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，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ、Ｍｏ，Ｂ等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。炭化物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。亜共析中の炭化物は球状に生成しやすいので、基地組織は亜共析が好ましいのである。
【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：１．５〜２．５ｗｔ％
Ｃは、Ｖ，Ｗとともに炭化物を生成するための必須元素である。Ｃが１．５ｗｔ％を下回ると、炭化物の不足により明確なヤング率の向上効果が得られない。一方、Ｃが２．５ｗｔ％を超えると、炭化物過多により靱性が著しく低下する。したがって、Ｃの含有量を１．５〜２．５ｗｔ％とした。
【００１９】
ＷおよびＶ：図１に示す線ａで囲まれた領域で示される量
この領域内にＷおよびＶの含有量が制御されることにより、ＭＣ型以外の炭化物の生成が抑制されるとともに、ＭＣ型炭化物の体積率が１７〜３２％に制御され、さらに、比重が、一般に使用される鉄鋼材料（耐熱材）の上限である８．３以下に制御される。本発明は、体積率および比重に関してこれらの数値を達成することを目的としている。
【００２０】
Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％
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が０．２５ｗｔ％を下回ると上記効果が得られない。一方、Ｎｉが４．７５ｗｔ％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、Ｎｉの含有量を０．２５〜４．７５ｗｔ％とした。
【００２１】
Ｍｎ：０．２５〜１．７ｗｔ％
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が０．２５ｗｔ％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効果が得られない。一方、Ｍｎ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の含有量を０．２５〜１．７ｗｔ％とした。
【００２２】
Ｔｉ：０．３ｗｔ％以下
Ｔｉは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。Ｔｉ炭化物（ＴｉＣ）はＷおよびＶを固溶するので複炭化物を生成しやすい。したがって、Ｔｉの含有量を０．３ｗｔ％以下とした。
【００２３】
Ｎｂ：０．６ｗｔ％以下
Ｎｂも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ＶＣよりも比剛性がやや劣り、ヤング率の向上よりも基地の強化として有効である。これらを鑑み、Ｎｂの含有量を０．６ｗｔ％以下とした。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、強化粒子を添加することなく、ヤング率、靱性、延性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ので、軽量コンパクト化に好適な鉄基合金として有望である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の実施例を説明する。
（１）ＶとＷの最適範囲を求める実験
下記の実施例および比較例の鉄基合金を製造し、これらの炭化物の体積率と比重を求めることにより、本発明の目的を達成し得るＶとＷの最適な含有量の範囲を確かめた。
【００２８】
〈実施例１〜３２〉
表１に示す実施例１〜３２の成分の鉄基合金材料をそれぞれ１００ｋｇ溶解して調製した後、鋳造、熱間圧延を経て直径２０ｍｍの丸棒状のサンプルを得た。次いで、実施例１〜３２のサンプルにつき、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。
【００２９】
【表１】
0004745938.tif 000002
【００３０】
〈比較例１〜１５〉
表２に示す比較例１〜１５の成分の鉄基合金からなるサンプルを上記実施例と同様にして得、これらサンプルにつき実施例と同様の熱処理を行った。
【００３１】
【表２】
0004745938.tif 000003
【００３２】
図１は、実施例１〜３２と比較例１〜１５のＷ含有量とＶ含有量の組み合わせを示しており、同図における線ａで囲まれた領域が本発明で定められるＷ含有量とＶ含有量の組み合わせである。
【００３３】
次いで、上記各実施例および各比較例の各サンプルにつき、炭化物の体積率：ＶＣ％，ＷＣ％，Ｍ６Ｃ％およびこれらの総和であるＶｆ％と、比重を調べた。その結果を表１、表２に併記する。ここで、ＶＣ，ＷＣはＭＣ型炭化物であり、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、これらの測定方法は以下の通りである。
【００３４】
・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。・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。
【００３５】
表１，２の測定結果によれば、本発明の実施例ではＭＣ型以外の炭化物の生成が抑制されるとともに、ＭＣ型炭化物の体積率が１７〜３２％、比重が８．３未満に制御されており、したがって、比重が抑えられながらヤング率、靱性、延性等の各種特性が高いレベルで確保されることが推測される。一方、本発明に対する比較例では、ＭＣ型以外の炭化物が生成しているか、ＭＣ型炭化物の体積率が上記範囲を逸脱するか、あるいは比重が８．３以上であることから、本発明の目的は達成されないことが推測される。
【００３６】
図３は、実施例９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、そこに炭化物が分散している。炭化物のうち、比較的大きく細長い炭化物は主にＶＣであり、比較的小さい炭化物は主にＷＣである。細かくて粒界が明確ではない部位は、オーステナイトである。このオーステナイトは、第２の熱処理の冷却中に基地組織から析出するものであり、このため、Ｃが少ない状態からの析出となり、きわめて粘性が高い特性を有する。
【００３７】
（２）強度試験
表３に示す実施例３３〜３６と比較例１６の成分を有する鉄基合金材料を、上記実施例１〜３２と同様に溶製、鋳造、圧延して直径２０ｍｍの丸棒状のサンプルを得た後、切削加工を施して概ね所定の試験片形状に成形した。次いで、実施例３３〜３６の試験片については実施例１〜３２と同様の熱処理を施し、一方、比較例１６の試験片には一般的な浸炭処理（浸炭雰囲気からの焼入れ後、低温で焼戻し）を施した。
【００３８】
【表３】
0004745938.tif 000004
【００３９】
次に、実施例３３〜３６と比較例１６の各サンプルにつき、仕上げの切削加工を施して所定の試験片を成形し、それら試験片を用いてヤング率、疲労強度、引張り強さ、０．２％耐力といった機械的特性を調べた。測定方法は以下の通りである。
【００４０】
・ヤング率
超音波法を用いた。すなわち、超音波を試験片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。
・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。
・引張り強さ、０．２％耐力
引張り試験機（島津製作所社製：ＡＧ−５０００Ｃ）により、荷重をロードセル、伸びは歪みゲージを用いて測定した。
これらの結果を、表４に示す。
【００４１】
【表４】
0004745938.tif 000005
【００４２】
表４から明らかなように、比較例の鉄基合金と同等の比重でありながらも、本発明の実施例は、いずれも比較例と比べると各種機械的特性が優れており、したがって、軽量コンパクト化を達成できることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例と本発明に対する比較例の鉄基合金のＷ含有量とＶ含有量の関係を示す図である。
【図２】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３】実施例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】
【００４４】
Ｍ…マルテンサイト
ＭＣ…ＭＣ型炭化物
γ…オーステナイト
【図１】
0004745938.tif 000006
【図２】
0004745938.tif 000007
【図３】
0004745938.tif 000008