(57)【要約】  【課題】自動車用材料、ロボット用材料、およびスポーツ用品用材料等の材料からなる部材で且つ精密加工を必要とする部材に好適な高剛性鋼を提供する。  【解決手段】VB2 型硼化物のクモの巣状組織を備え、ヤング率が280GPa以上となるようにするとともに、好ましくは  質量％で、  Ｃ：0.03％以上0.6 ％以下、  Ｖ：６％以上13％以下、  Ｂ：3.2 ％超５％以下を含む。【選択図】図１
2005082831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
VB2 型硼化物のクモの巣状組織を備え、ヤング率が280GPa以上である溶製型高剛性鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：0.03％以上0.6 ％以下、
Ｖ：６％以上13％以下、
Ｂ：3.2 ％超５％以下
を含むことを特徴とする請求項１に記載の高剛性鋼。
【請求項３】
質量％で、
Ｃ：0.03％以上0.6 ％以下
Si：0.05％以上0.5 ％以下
Mn：0.2 ％以上1.5 ％以下
Ti：0.01％以上６％以下
Ｖ：６％以上13％以下
Ｂ：3.2 ％超５％以下
Ｎ：0.001 ％以上0.015 ％以下
Nb：0.005 ％以上0.1 ％以下
を含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる組成を有する高剛性鋼。
【請求項４】
請求項３に記載の組成を有し、溶製された高剛性鋼であって、内部にVB2 型硼化物を含むことを特徴とする高剛性鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用材料、ロボット用材料、スポーツ用品用材料等の大きな剛性を必要とする部材に好適な高剛性鋼、特に、放電加工性に優れた高剛性鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述のような高剛性鋼、例えば、自動車用の構造材として用いられる高剛性鋼の場合、燃費向上を図るための軽量化や、乗り心地の向上を目的として更なる高剛性化が図られる傾向にあり、それらを満足することのできる高剛性材料が求められている。
【０００３】
ここに、鋼の剛性 (一般にヤング率で評価される) を向上させる手法として、
ａ．合金元素の添加 (Cr、Co、Re、など) 
ｂ．集合組織の利用
ｃ．高ヤング率粒子の分散
が挙げられる。しかしながら、Crや Co を添加してもヤング率は高々数％しか向上しない。さらに、集合組織を利用した場合には、ヤング率の異方性が大きく、構造部材への適用には限界がある。それに対し、高ヤング率を有する粒子をマトリックスに分散させた場合には、等方的に高いヤング率を得ることができる。
【０００４】
また、従来にあっても、その製造に際しては粉末冶金法、粉末同士のメカニカルアロイング現象を利用する方法、溶湯中に化合物を添加する方法、そして溶解した金属の凝固の過程で化合物を晶出分散させる溶製法がある。溶製法で高剛性鋼を製造する技術は特許文献１に、溶製法または粉末冶金法による技術が特許文献２に開示されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、鉄または鉄合金中に化合物を構成する元素が完全に溶解する温度以上に加熱し、冷却、凝固時に高ヤング率化合物を晶出または析出させる方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２の段落0013には、所定の割合で合金原料を配合し、真空中または不活性ガス雰囲気中で完全に溶融させた後、金型またはセラミックス型へ鋳造することにより製造する方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平10−68048 号公報
【特許文献２】特開2001−59146 号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、溶鋼から晶出する初晶粒子が粗大化すると、ヤング率が低下する。したがって、上記特許文献では、凝固時の冷却速度を確保して初晶粒子の微細化を図るため、水冷鋳型、金型、セラミックス金型、などを用いて鋳造しているが、溶製量に限界があり、大型構造物の製造には適さない。
【０００９】
さらに、一般に、ヤング率の高い粒子は硬質である。したがって、高ヤング率粒子を多量に含む鋼は塑性加工や切削加工が困難であり、精密部位の加工では放電加工が選択される。しかしながら、高ヤング率粒子の中には、鋼に比べ電気抵抗が著しく高いものがあり、そのような粒子を含む鋼では放電加工が困難、という問題が発生する。
【００１０】
ここに、本発明の課題は、溶製鋼としては高ヤング率を有し、それにより放電加工性に優れた高剛性鋼を提供することである。
【００１１】
より具体的には、本発明の課題は、例えば、自動車用材料、ロボット用材料、およびスポーツ用品用材料等の材料からなる部材で且つ精密加工を必要とする部材に好適な高剛性鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ここに、本発明者らは、上述の課題を達成すべく、種々検討を重ね、VB2 化合物とＶ炭化物の複合晶出により凝固組織の微細・均一化を図り、280GPa以上のヤング率を得るとともに、電気伝導率を上げることで放電加工性を向上させることができることを知り、本発明を完成した。
【００１３】
ここに、本発明は次の通りである。
(1)VB2型硼化物のクモの巣状組織を備え、ヤング率が280GPa以上である溶製型高剛性鋼。
【００１４】
(2) 質量％で、
Ｃ：0.03％以上0.6 ％以下、
Ｖ：６％以上13％以下、
Ｂ：3.2 ％超５％以下
を含むことを特徴とする上記(1) に記載の高剛性鋼。
【００１５】
(3) 質量％で、
Ｃ：0.03％以上0.6 ％以下
Si：0.05％以上0.5 ％以下
Mn：0.2 ％以上1.5 ％以下
Ti：0.01％以上６％以下
Ｖ：６％以上13％以下
Ｂ：3.2 ％超５％以下
Ｎ：0.001 ％以上0.015 ％以下
Nb：0.005 ％以上0.1 ％以下
を含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる組成を有する高剛性鋼。
【００１６】
(4) 上記(3) に記載の組成を有し、溶製された高剛性鋼であって、内部にVB2 型硼化物を含むことを特徴とする高剛性鋼。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、280GPaを超える高ヤング率を有することにより、放電加工性に優れた高剛性鋼が得られ、例えば、自動車用材料、ロボット用材料、およびスポーツ用品用材料等、の構造部材で且つ精密加工を必要とする部材に好適な高剛性鋼を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明における上述のような着想から課題解決に至るまでの経過をまとめて示すと次の通りである。
まず、高ヤング率化合物を含む鋼のヤング率は、Feマトリックスと高ヤング率化合物との配合則に従う。したがって、高ヤング率化合物の量が多いほど高ヤング率が得られるはずである。
【００１９】
Feベースの溶製鋼において凝固過程で晶出可能な高ヤング率化合物として、Ti、Ｖ、Nb硼化物やTi、Ｖ、Nb炭化物がある。しかしながら、TiやNbの硼化物は高融点化合物であるため、高温から晶出し、粗大化しやすい。したがって、TiやNbの硼化物の量を増加させても、粗大な化合物の回りで剥離や割れが生じやすくなり、逆にヤング率が低下する場合がある。
【００２０】
それに対し、Ｖ硼化物はTiやNb硼化物に比べて融点が低いため、凝固過程で粗大化しにくい。さらに、凝固過程でＶ硼化物と炭化物が複合的に晶出すると、さらにＶ硼化物の粗大化が抑えられ、均一な凝固組織が得られる。
【００２１】
このため、特に凝固速度を速くする必要はなく、大型インゴットにおいても280GPaを超える究極のヤング率が実現した。
【００２２】
また、Ｖ硼化物はそれ自体の電気抵抗がFeマトリックスと同程度であるため、Ｖ硼化物を含む鋼は電気伝導度に優れる。このため、放電加工性が向上し、低エネルギーでも高速かつ精密な仕上げ加工が可能である。一方、Ｖ炭化物は電気伝導度が低いため、過剰のＶ炭化物は鋼の電気伝導性を低下させる。したがって、良好な放電加工性を維持するためには、炭化物量を抑える必要がある。
【００２３】
すなわち、究極の高ヤング率を実現し、放電加工性を向上させる溶製鋼の基本成分は、低Ｃ−Ｖ−Ｂ鋼である。
【００２４】
すでに述べたように高剛性鋼の製造方法には各種のものがある。しかし、大形部材の製造には溶製法が好ましい。
【００２５】
また、上記の鋼においては例えば鋳造材で最も高いヤング率が得られる一方で、熱間加工材では５％程度ヤング率が低下し、280GPaを超えるヤング率が得られない場合がある。また、熱間加工を加えると、電気伝導率は低下し、放電加工時のエネルギーロスが大きくなる、仕上げ加工面が劣化する、などの問題が生ずる場合がある。したがって、究極の高ヤング率を実現し、放電加工性を向上させる溶製鋼として、鋳造材が望ましい。
【００２６】
本発明において晶出化合物としては硼化物を利用するが、このＶ硼化物には、VB2 、V2B3、V3B4、V5B6、VBなど、異なった結晶構造を有するものがある。しかしながら、鋳造材で最もヤング率を高めるＶ硼化物はVB2 であることが明らかとなった。これは、VB2 がクモの巣状に形成され、構造上、ヤング率のロスの少ない組織になるためである。したがって、種々のＶ硼化物のうち、V2B3、V3B4、V5B6、VBの晶出を抑え、VB2 のみを晶出させるためには、Ｖ、Ｂ、Ｃ量のコントロールおよびその他の微量元素の添加が必要となる。
【００２７】
図１は後述の実施例におけるVB2 の晶出の様子を示す顕微鏡組織写真である。図中、VB2 化合物とFeマトリックスの結晶板が交互に配列した組織であって、鋼塊の任意の断面を２次元的に観察するとVB2 化合物とFeマトリックスのそれぞれの板断面が現出し、それらの織り成す模様がクモの巣状であることからクモの巣状組織と呼ぶ。参考までに図２に後述の実施例における比較例にみられるクモの巣状組織の見られない例を示す。
【００２８】
ここに本発明によればVB2 型硼化物の量は、ヤング率280GPa以上を確保するためには、クモの巣状組織の形態にもよるが、一般には16.4体積％以上存在することが好ましい。
【００２９】
ここに本発明において鋼組成を上述のように限定した理由を説明する。本明細書において鋼組成を示す「％」は特にことわりがない限り「質量％」である。
【００３０】
鋼組成
Ｃ:0.03 ％以上  0.6 ％以下
Ｃは、凝固時にVC、 TiC、 NbCなどの炭化物を晶出させ、やはり凝固時に晶出するVB2 型硼化物の粗大化を抑制する。さらに、粒界を強化し、靱性の向上に寄与する。しかし、その含有量が0.03％未満の場合には、上記の効果は得られない。一方、その含有量が0.6 ％を超えると、晶出した炭化物が粗大化し、VB2 型硼化物のクモの巣状組織が崩れてヤング率が低下する。さらに、炭化物は電気伝導度を低下させるため、放電加工性が悪化する。このため、Ｃの含有量は0.03％以上、0.6 ％以下とする。望ましくは、0.03％以上、0.4 ％以下である。さらに望ましくは、0.05％以上、0.25％以下である。
【００３１】
Si:0.05 ％以上  0.5 ％以下
Siは脱酸に有効な元素であるが、その含有量が0.05％未満では効果が得難い。一方、0.5 ％を超えると、靱性に悪影響を及ぼすラーベス相が形成しやすくなる。したがって、Siの含有量は0.05％以上、0.5 ％以下とする。
【００３２】
Mn:0.2％以上  1.5 ％以下
Mnは、鋼の不純物であるＳを固定して、熱間割れを抑制する。しかし、 Mn の含有量が0.2 ％未満では、上記の効果が得られない。一方、その含有量が1.5 ％を超えると、かえって、粒界を弱化させ、靱性に悪影響を及ぼす。したがって、 Mn の含有量は0.2 ％以上、1.5 ％以下とする。
【００３３】
Ti:0.01 ％以上  6 ％以下
Tiは凝固過程で酸化物、窒化物、炭化物、硼化物等を形成し、凝固組織の微細化に有効である。さらに高ヤング率硼化物を形成し、鋼のヤング率を高めるのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が0.01％未満では上記の効果が得られない。一方、その含有量が６％を超えると、Ti硼化物が粗大化し、VB2 型硼化物のクモの巣状組織が崩れてヤング率が低下する。さらに、過剰なTi炭化物は放電加工性を劣化させる。したがって、Tiの含有量は0.01％以上、６％以下とする。望ましくは、0.03％以上、4 ％以下である。さらに望ましくは、0.3 ％以上、2.5 ％以下である。
【００３４】
Ｖ: ６％以上  13％以下
Ｖは、凝固過程でVB2 型硼化物を形成し、鋼のヤング率を高めるのに有効な元素である。さらに、VB2 型硼化物が母相と共晶関係にある場合には、VB2 型硼化物がクモの巣状の組織となり、構造上ヤング率のロスが低減できる。しかしながら、その含有量が６％未満では上記の効果が得られない。一方、その含有量が13％を超えると、 VB2型硼化物が粗大化して凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｖの含有量は６％以上、13％以下とする。望ましくは、7 ％以上、12.5％以下である。
【００３５】
Ｂ:3.2％超  5 ％以下
ＢはＶやTiと結合して高ヤング率硼化物を形成する。しかし、その含有量が3.2 ％以下ではVB2 型硼化物がクモの巣状に形成せず、ヤング率のロスが大きくなる。一方、その含有量が５％を超えると、ＶやTi硼化物以外の低融点硼化物を形成し、凝固割れが生じやすくなる。したがって、Ｂの含有量は3.2 ％超、5 ％以下とする。望ましくは、3.5 ％以上、5 ％以下である。
【００３６】
Ｎ:0.001％以上  0.015 ％以下
Ｎは凝固過程でTi窒化物を形成し、凝固組織の粗大化の抑制に有効である。しかしながら、その含有量が0.001 ％未満ではその効果が得られない。一方、その含有量が0.015 ％を超えると粗大な窒化物を形成し、凝固割が生じやすくなる。したがって、Ｎの含有量は0.001 ％以上、0.015 ％以下とする。
【００３７】
Nb:0.005％以上  0.1 ％以下
Nbは凝固過程でNb窒化物を形成し、凝固組織の粗大化の抑制に有効である。しかしながら、その含有量が0.005 ％未満ではその効果が得られない。一方、その含有量が0.1 ％を超えると、凝固界面に低靱性のNb炭窒化物が形成し、凝固割れが生じやすくなる。したがって、Nbの含有量は0.005 ％以上、0.1 ％以下とする。
【００３８】
製造方法
本発明はVB2 型硼化物を晶出させることで高ヤング率化を図ることから溶製を前提とする。
鋳造後、熱間鍛造や熱間圧延を加えるとヤング率、放電加工性が低下する場合がある。したがって、鋳造、鋳放しが望ましい。溶製量、鋳型サイズ、鋳型形状は、特に限定する必要はない。
【実施例】
【００３９】
実施方法・実施条件・評価方法
表１に示す化学成分を有する鋼の原料を真空中で完全に溶解し、下記のサイズの鋳型で鋳造し鋼塊を得た。
【００４０】
鋳込温度は表２に示す。鋳込温度は、VB2 溶解温度直上(100℃以内が望ましく、50℃以内がさらに望ましい) とすることが望ましい。
【００４１】
鋳型サイズＡ：上側直径95mm、下側直径85mm、高さ175mm 
Ｂ：上側直径125mm 、下側直径115mm 、高さ320mm 
Ｃ：上側直径230mm 、下側直径190mm 、高さ500mm 
各々の鋼塊の縦断面を切り出し、染色浸透探傷試験により内部欠陥の有無を調査した。欠陥の判断は目視で行った。
【００４２】
上記の鋳造材から、ヤング率測定用試験片、硬度測定用試験片、および放電加工性評価試験片を採取した。採取部位は、図３に示すように鋼塊の縦方向1/4 の中央部と円周方向1/2 部 (1/4Z-C、1/4Z-1/2R)、縦方向1/2 の中央部と円周方向1/2 部 (1/2Z-C、1/2Z-1/2R)、縦方向3/4 の中央部と円周方向1/2 部 (3/4Z-C、3/4Z-1/2R)の６箇所である。
【００４３】
これらの試験を使って下記要領でその特性を評価した。
1)ヤング率
厚さが1.5mm 、幅が10mm、長さが60mmのヤング率測定用サンプルを用いて、通常の横共振法で共振周波数を測定することにより求めた。
上記６箇所のヤング率の平均値を表２に記す。
【００４４】
2)硬さ
上記６箇所についてビッカース硬度 (荷重：１kg) を測定し、平均値を求め、表２に示した。
【００４５】
3)放電加工性
ワイヤ放電加工機を用い、所定の断面積の切断時間、切断面の粗さによって評価した。電極ワイヤは0.25mm径の銅線を用い、負荷電圧80Ｖ、コンデンサ容量100pF の条件下、50mm×50mmの面積の切断に要する時間を測定した。単純Ｃ-Mn 鋼の切断時間に対する比を表2 に記した。
【００４６】
また、切断面の表面粗さを測定し、JIS で規定される10点平均高さ、Rzで評価した。
尚、放電加工性の評価は１/ ２Ｚ- Ｃ部のみについて実施した。
【００４７】
【表１】
2005082831.tif 000003
【００４８】
【表２】
2005082831.tif 000004
【００４９】
表１、２に示すように本発明の定める成分を有する鋼Ａ〜ＫはいずれもVB2 のクモの巣状組織が認められ、それらのヤング率はいずれも280GPa以上の高い値を有し、且つ、放電加工時の切断速度はＣ-Mn 鋼より速い0.8 以下を示し、且つ、放電加工面の粗さは2.8Rz 以下を満足する。
【００５０】
図１の顕微鏡組織写真は表２の鋼Ｂのそれであり、クモの巣状組織の存在が認められる。
これに対し、クモの巣状組織の存在は認められない本発明の定める範囲から外れる鋼では、ヤング率、放電加工速度、放電加工面の粗さ、のいずれかが不芳である。
【００５１】
図２は鋼４の顕微鏡組織写真であり、この例ではVB2 のクモの巣状組織はみられない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例におけるVB2 の晶出の様子を示す顕微鏡組織写真である。
【図２】クモの巣状組織の見られない例を示す顕微鏡組織写真である。
【図３】実施例における試験片の採取位置を示す模式的説明図である。
【図１】
2005082831.tif 000005
【図２】
2005082831.tif 000006
【図３】
2005082831.tif 000007