(57)【要約】【課題】  比重を改善し、比強度、ヤング率、降伏応力、引張強度、硬さを高め、さらに加工性に富む材料を提供する。【解決手段】  Ｍｎ：５．０〜１５．０（未満）質量％、Ａｌ：０．５〜１０．０質量％、Ｓｉ：０．５〜１０．０質量％、Ｃ：０．０１〜１．５質量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、α相分率１０〜９５％であるγ＋αの２相を備えた鉄合金からなる低比重鉄合金、及びＢ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．０１〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ：それぞれ０．０１〜５．０質量％、から選択した元素の１種又は２種以上をさらに含有する同低比重鉄合金。【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎ：５．０〜１５．０（未満）質量％、Ａｌ：０．５〜１０．０質量％、Ｓｉ：０．５〜１０．０質量％、Ｃ：０．０１〜１．５質量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、α相分率１０〜９５％であるγ＋αの２相を備えた鉄合金からなることを特徴とする低比重鉄合金。
【請求項２】
Ｂ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．０１〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ：それぞれ０．０１〜５．０質量％、から選択した元素の１種又は２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１記載の低比重鉄合金。
【請求項３】
比重５．５〜７．５ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１又は２記載の低比重鉄合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低比重を有し、高い比強度（強度／比重）と優れた加工性を備えた鉄合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄は地球に多量に存在し、製造が容易（製造法が確立されている）であること強度（鋼等）が高いこと、耐食性があること（ステンレス鋼、合金鋼）などの理由により、一般構造用材料、建築用材、鉄道車両や自動車のボディやフレーム材、レール材、船舶用材、耐食性材、石油等のパイプライン用材、橋梁材等の様々な分野に使用されている。また、鋼だけでなく、鋳鉄も半永久的な耐食性材料としてマンホールの蓋や大型の下水管等に使用されている。
しかし、鉄の２０°Ｃでの比重は７．８７であり、他の金属に比べて比重が大きく、そのために比強度（強度／比重）がチタン（比重４．５０）やアルミニウム合金（比重２．７０）等に比べて劣るという問題がある。
【０００３】
このようなことから鉄に金属元素等を添加し、また加工や熱処理条件を工夫して比強度（強度／比重）を向上させようとする提案がある。例えば、重量％でＭｎ：２５〜３１％、Ａｌ：６．３〜７．８％、Ｃ：０．６５〜０．８５％、Ｃｒ：５．５〜９．０％、残部Ｆｅとし、この合金を８００°Ｃ〜１０５０°Ｃで熱間鍛造することにより、６．７８〜７．０５ｇ／ｃｍ３とする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、比重のある程度の改善はあるが、この合金でさらに比重を下げ比強度（強度／比重）を向上させることは事実上難しいという問題がある。
【０００４】
他の参考公知文献としては、次の組成のものがある。高温下で用いる２０〜３５重量％マンガン、５〜１３重量％アルミニウム、０〜５重量％クロム、０〜２．５重量％ケイ素、０．５〜１．４重量％炭素、残部鉄からなる鋳造部材（特許文献２参照）。
Ｃ：０．１０〜１．００重量％、Ｍｎ：１６〜３５重量％、Ｓｉ：０．２〜３．０重量％、Ｃｒ：０．５〜１８．０重量％、Ｃｕ：０．０１〜２．００重量％、Ａｌ：０．０１〜７．００重量％、Ｎ：０．３重量％以下である耐候性、高靭性高Ｍｎ鋼（特許文献３参照）。
Ｃ：１．５重量％未満、Ｍｎ：０〜３５．０重量％、０．１〜６．０重量％、残部Ｆｅからなるオーステナイト高マンガン鋼（特許文献４参照）。
Ａｌ：６〜１３重量％、Ｍｎ：７〜３４重量％、Ｃ０．２〜１．４重量％、Ｓｉ：０．４〜１．３重量％、Ｎｉ：０．５〜６重量％、Ｃｒ：０．５〜６重量％、残部Ｆｅからなるオーステナイト系ステンレス鋼（特許文献５参照）。  
【特許文献１】特開２００２−１８０２０５号公報
【特許文献２】特開平２−２４７３５６号公報
【特許文献３】特開昭５８−１９７２５６号公報
【特許文献４】特表平６−５０５５３５号公報
【特許文献５】特表平５−５０４７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、比重を改善し、比強度、ヤング率、降伏応力、引張強度、硬さを高め、さらに加工性に富む材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鉄−マンガン−アルミニウム系材料を改善することにより、上記の比重、比強度、加工性等をさらに向上させることができるとの知見を得た。
この知見に基づき本発明は、１）Ｍｎ：５．０〜１５．０（未満）質量％、Ａｌ：０．５〜１０．０質量％、Ｓｉ：０．５〜１０．０質量％、Ｃ：０．０１〜１．５質量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、α相分率１０〜９５％であるγ＋αの２相を備えた鉄合金からなることを特徴とする低比重鉄合金、２）Ｂ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．０１〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ：それぞれ０．０１〜５．０質量％、から選択した元素の１種又は２種以上をさらに含有することを特徴とする１記載の低比重鉄合金、３）比重５．５〜７．５ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする１又は２記載の低比重鉄合金を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の鉄合金は、比重を７．５〜５．５の範囲に低下させることができ、比強度１００ＭＰａ／（ｇ／ｃｍ３）以上、ビッカース硬さ２５０Ｈｖ以上、ヤング率９０ＧＰａ以上、０．２％耐力４２０ＭＰａ以上、引張応力７００ＭＰａ以上であり、さらに冷間加工性に富む材料が得られるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の低比重鉄合金は、Ｍｎ：５．０〜１５．０（未満）質量％、Ａｌ：０．５〜１０．０質量％、Ｓｉ：０．５〜１０．０質量％、Ｃ：０．０１〜１．５質量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、α相分率１０〜９５％であるγ＋αの２相を備えた鉄合金からなる低比重鉄合金であり、さらにＢ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．０１〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ：それぞれ０．０１〜５．０質量％から選択した元素の１種又は２種以上をさらに含有させることができる。
【０００９】
本発明の低比重鉄合金は、上記の通りα（ｂｃｃ構造）＋γの２相を備える組織を持ち、比重ｄが５．５≦ｄ≦７．５であり、冷間加工性に富み、比強度、ヤング率、降伏応力、引張強度、硬さに優れた低比重合金が得られる。
Ｍｎ：５．０〜１５．０（未満）質量％とする理由は、５．０質量％未満ではｆｃｃ構造を有するγ相が得られず、１５．０質量％以上であると、低比重下での十分な冷間加工性が得られないからである。特にＭｎ：１０．０〜１５．０(未満)質量％が望ましい。これにより十分なγ相を有するγ＋α２相組織を形成することができ、さらに靭性を向上させることができる。
【００１０】
Ａｌ：０．５〜１０．０質量％とする理由は、０．５質量％未満では低比重が得られず、１０．０質量％を超えるとα＋γの２相組織が得られないためである。特に、Ａｌ：５．０〜１０．０質量％が望ましい。これにより、比重をさらに低下させることが出来、また強度、耐食性を向上させることができる。
Ｓｉ：０．５〜１０．０質量％とする理由は、０．５質量％未満では低比重が得られず、１０．０質量％以上ではα＋γの２相組織が得られないためである。
Ｃ：０．０１〜１．５質量％とする理由は、０．０１質量％未満ではα単相組織になってしまい、２．５質量％を超えるとＭ３Ｃ（Ｍ：Ｆｅ、Ｍｎ等）等の炭化物が析出してしまうためである。
【００１１】
本発明の低比重鉄合金は、必要に応じて、さらにＢ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．０１〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷからなる群から選択した１種又は２種以上の元素を０．０１〜５．０質量％含有させることができる。その添加効果を高めるための、成分の数値限定の理由は、次の通りである。
Ｂ：０．００１〜１．５質量％とする理由は、０．００１質量％未満では鋳造組織及び鍛造組織においても微細な結晶粒組織を得るための添加効果が小さく、また１．５質量％を超えると硼素化合物等の析出により脆化してしまうからである。
【００１２】
Ｎ：０．０１〜１．５質量％とする理由は、０．０１質量％未満では十分な比強度を得るための添加効果が小さく、１．５質量％を超えると窒化物等の析出により脆化するからである。上記の組成範囲において微細な結晶粒組織が得られ、優れた機械的特性を持つ合金が得られる。
Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％とする理由は、０．０１質量％未満では低比重及び耐酸化性に優れた合金を得るための添加効果が小さく、５．０質量％を超えるとＣｒ炭化物やσ相などの金属間化合物が出現し、α＋γの２相組織が得られないためである。
【００１３】
Ｂｅ又はＭｇ添加は低比重化に有効であり、Ｔｉ添加は低比重化及び粒界腐食の防止に有効であり、Ｖ添加は耐摩耗性改善に有効であり、Ｃｏ又はＮｉ添加はγ相の安定化に有効であり、Ｃｕ又はＭｏ添加は耐食性改善に有効であり、Ｍｏ添加は耐粒界腐食改善に有効であり、Ｗ添加は析出硬化に有効であるという理由による。これらを単独添加又は複合添加することができる。
また、それを０．０１〜５．０質量％の範囲とするのは０．０１質量％未満であると添加効果がなく、５．０質量％を超えると脆化し、また比重が７．５を超えてしまうという問題があるので、上限を５．０質量％とする。
【００１４】
以上に示す通り、本発明の低比重鉄合金は、比重ｄが５．５≦ｄ≦７．５であり、さらには比重ｄが５．５≦ｄ≦６．６であるという低比重の合金が得られる。
また、これによって、比強度１００ＭＰａ／（ｇ／ｃｍ３）以上、ビッカース硬さ２５０Ｈｖ以上、ヤング率９０ＧＰａ以上、０．２％耐力４２０ＭＰａ以上、引張応力７００ＭＰａ以上であり、さらに冷間加工性に富む材料が得られる
【００１５】
本発明合金の製造方法としては、まずＭｎ：５．０〜１５．０（未満）質量％、Ａｌ：０．５〜１０．０質量％、Ｓｉ：０．５〜１０．０質量％、Ｃ：０．０１〜１．５質量％、残部Ｆｅからなる組成範囲内で成分調整する。
また、必要に応じて、Ｂ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．０１〜１．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜１０．０質量％、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ：それぞれ０．０１〜５．０質量％、から選択した元素の１種又は２種以上を所定量添加して、適宜原料成分を調整する。
【００１６】
次に、これをアーク溶解炉又は高周波溶解炉を用いて溶解し、これを鋳造インゴットとし、さらに８００°Ｃ〜１３００°Ｃの温度にて熱間鍛造あるいは熱間圧延及び冷間圧延・伸線等の加工工程を経て、また必要に応じて、２００°Ｃ〜１３００°Ｃの温度にて熱処理後、焼き入れ又は空冷して製造する。
このようにして得られた材料は、単相又はα（ｂｃｃ構造）相分率を１０％以上含有するα（ｂｃｃ構造）相＋γ（ｆｃｃ構造）の２相鉄合金が得られる。また、比重が５．５〜７．５ｇ／ｃｍ３であり、比強度が高く、さらに加工性に著しく富む鉄合金が得られる。
【実施例】
【００１７】
次に実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲における他の例、態様あるいは変形等を当然含むものである。
【００１８】
（実施例１−２７）
本発明の鉄合金の範囲で、表２及び表３に示す実施例１−２７の組成の合金について、アーク溶解炉を用いて溶解し、これを鋳造インゴットとした。次に１１００°Ｃの温度にて、熱間圧延、１１００°Ｃの温度にて３０分の熱処理、及び水中焼き入れの製造工程を経てα＋γの２相構造を有する鉄合金を作製した。
【００１９】
（比較例１−８）
同様に、表２に示す比較例１−８の組成の合金について、アーク溶解炉を用いて溶解し、これを鋳造インゴットとした。次に１１００°Ｃの温度にて、熱間圧延、１１００°Ｃの温度にて３０分の熱処理、及び水中焼き入れの製造工程を経てα相又はγ相構造を有する鉄合金を作製した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
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【００２２】
表３及び表４に、本発明の実施例のα＋γの２相構造を有する鉄合金及び比較例１−８の比重（ｇ／ｃｍ３）、α分率、γ分率、ビッカース硬さ（Ｈｖ）、冷間加工性（％）を示す。
また、表５に比重、ヤング率（ＧＰａ）、０．２％耐力（Ｐａ）、引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）、比強度（ＭＰａ／（ｇ／ｃｍ３））を示す。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
【表４】
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【００２５】
【表５】
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【００２６】
実施例１〜２７は、１０％以上９５％以下のα相を含むγ＋α相からなる２相合金であり、この２相合金は表３及び表４に示す通り、優れた硬さと加工性を有する。これに対し、比較例１〜８については、α相又はγ相の一方か、又は双方が存在するにしても、片方が極微量（１０％未満）である。
図１は、α相分率とビッカース硬さとの関係を示す図である。また、図２は、α相分率と冷間加工率との関係を示す図である。
【００２７】
図１から明らかなように、α相分率１０％未満及び９５％を超えた場合には十分な硬さが得られなかった（比較例１〜８）。一方、図２の実施例１〜２７に示すように、α相分率１０％以上で優れた加工性を有し、α相分率７０％程度までは良好な加工性を備えている。しかし、比較例に示すように、９５％を超えた場合には著しく加工性が悪化した。
他方、α相分率１０％未満でも冷間加工性が良好であるが、上記のように、硬さが低下するので、硬さと冷間加工性の双方からみて、α相分率１０％〜９５％が適切な範囲であることが分かる。
【００２８】
１０％以上９５％以下のα相を含むγ＋α２相合金は、延性に優れ、また高強度、低比重を有するため、表５の実施例１８〜２１に示すように、１００ＭＰａ（ｇ／ｃｍ３）以上の比強度を有する。
一方、表５の比較例３に示すように、α相１０％未満では強度が低く、十分な比強度が得られない。さらに、α相が９５％を超えると著しく脆化し、引張試験を行うことができない状態となる。
また、本発明の鉄合金は、含有成分の添加量を調整することにより、比重、α分率、γ分率、硬さ、冷間加工性、ヤング率、耐力、引張強さ、伸び、比強度、を多様に変化させることができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の鉄合金は、比重を７．５〜５．５の範囲に低下させることができ、比強度１００ＭＰａ／（ｇ／ｃｍ３）以上、ビッカース硬さ２５０Ｈｖ以上、ヤング率９０ＧＰａ以上、０．２％耐力４２０ＭＰａ以上、引張応力７００ＭＰａ以上であり、さらに冷間加工性に富む材料を低コストで得られるという効果を有するので、一般構造用材料、建築用材、鉄道車両や自動車のボディやフレーム材、レール材、船舶用材、耐食性材、石油等のパイプライン用材、橋梁材、ゴルフ用品等の様々な分野に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例合金及び比較例の合金のα分率とビッカース硬さの相関を示す図である。
【図２】実施例合金及び比較例の合金のα分率と冷間加工率の相関を示す図である。
【図１】
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【図２】
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