(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶製法で作製された鉄または鉄合金からなるマトリックス中に、ＴｉＢ2系化合物が５〜５０ｖｏｌ％分散されてなる高剛性鋼において、
（Ｔｉ／Ｂ）≧２．１                                        （１）
０．１％＜Ｃ＜［０．２５（Ｔｉ−２．１８Ｂ）＋０．１８］％  （２）
０．３％≦Ｓｉ＋０．５×Ａｌ≦６％                          （３）
を満足するとともに、Ｔｉ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ａｌの他、Ｃｒ：０．５質量％〜３０質量％、残部：Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする鉄系高強度・高剛性鋼。
〔尚、上記（１）〜（３）式において、Ｔｉ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ａｌはいずれも鋼中の質量％を示す。〕
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い剛性と共に高い強度が要求される機械構造用部材等に用いられる鉄系高強度・高剛性鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼材料は、建築物、輸送用機器、各種機械等の構造物を維持するために用いられる機械構造部材として最も多く使用されている。これら構造物を設計する際に求められる重要な特性として、剛性と強度があげられる。剛性や強度の高い材料を使用することによって、構造物の耐用強度が向上し、信頼性の高い構造物を得ることができる。また、剛性や強度の高い材料を構造物に用いることは、それだけ使用する材料も少なくすることができるので、例えば、自動車、鉄道等の輸送車両に適用すると、輸送車両の軽量化を達成することができ、その結果、燃費向上による省エネルギー化、材料の節約による省資源化を図ることができる。
【０００３】
上記のような機械構造部材に用いられる鉄鋼材料は、各種合金成分の添加や鉄鋼材料の組織改善等によって特性改善が試みられてきた。これらの方法によって、鉄鋼材料の強度は、大幅に改善されたが、剛性の向上については必ずしも十分とは言えない。剛性は材料が固有している物理的な値であるため、上記のような方法では、剛性の向上すなわちヤング率の向上は容易でない。しかし、ヤング率の向上は、輸送車両の軽量化を始めとして、構造物等の設計に際し大きなメリットが得られるので、鉄鋼材料のヤング率を一般的な約２００ＧＰａレベルから１０％程度以上高めることが望まれてきた。
【０００４】
こうした需要に沿うべく、鉄鋼材料の剛性向上に関して種々の研究がなされ、多くの提案がなされている。例えば、粉末冶金法による鉄鋼材料の剛性の向上手段が数多く提案されており、これらの方法は、鋼のマトリックス中へ高剛性を有する化合物を多量に添加するものである（特開平５−２３９５０４号公報，特開平７−１８８８７４号公報，特開平７−２５２６０９号公報等）。しかし、これらの技術は、粉末冶金法を適用するものであって、その工程の複雑さからコストが高くなるという問題があった。
【０００５】
一方、前記粉末冶金法よりも安価な製造方法である溶製法によって高剛性鋼を製造する方法も提案されている。例えば、高剛性の化合物粉末を溶湯に分散させて鋳造する方法（特開平４−３２５６４１号公報参照）や、高剛性を有する化合物（４ａ,５ａ族の炭化物、ホウ化物、またはその複合化物）を溶湯中での反応により生成・分散させる方法が開示されている（特開平１０−６８０４０号公報参照）。
【０００６】
以上の様な溶製法による高剛性化技術で、高剛性鋼を得る方法はある程度明確になった。しかし、ほとんどの機械部品は剛性だけでなく強度との両立が不可欠であるため、それらの小型軽量化には不十分であることが多い。殊に、上記の開示技術では、強度を向上させるための手法が明らかにされておらず、要求特性を満足させることが出来ない。
【０００７】
剛性と強度の両立を図ることを目的として、Ｖを多量に添加した鋼にＶＣとして化合物を形成する以上の炭素量を添加し、炭素を固溶させて焼入れる方法が報告されている（特開２００１−７３０６８号公報、ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ，ｖｏｌ．１３（２０００）Ｐ．５４１−５４２．）。しかし、本方法においては、焼入れることで剛性が低下するので、達成可能な剛性には自ずと限界があり、また、Ｃをあらかじめ多量に添加するので、粗大な初晶炭化物が生成し、加工性や延靭性に問題が生じる。
【０００８】
尚、本発明者らは、特願２００１−３０２９９８号で、高剛性と高疲労強度を達成した鋼材に関する出願をしているが、該出願は鋼材に浸炭あるいは浸窒処理を施すことを前提としたものであった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況に着目してなされたものであって、その目的は、比較的安価な溶製法を採用し、しかも、後に浸炭処理や浸窒処理等の熱処理を行なうことなく、鋼の加工性や延靭性を保持しつつ、剛性の大幅な向上を達成すると共に強度も兼ね備えた鉄系高強度・高剛性鋼を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の鉄系高強度・高剛性鋼は、溶製法で作製された鉄または鉄合金からなるマトリックス中に、ＴｉＢ2系化合物が５〜５０ｖｏｌ％分散されてなる高剛性鋼において、
（Ｔｉ／Ｂ）≧２．１                                          （１）
０．１％＜Ｃ＜［０．２５（Ｔｉ−２．１８Ｂ）＋０．１８］％    （２）
０．３％≦Ｓｉ＋０．５×Ａｌ≦６％                            （３）
を満足するところに要旨を有する。
〔尚、上記（１）〜（３）式において、Ｔｉ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ａｌはいずれも鋼中の質量％を示す。〕
【００１１】
上記規定を満たす鋼材は、特に高いヤング率を有するＴｉＢ2系化合物を多量に且つ微分散させることが可能であるため、得られる鋼材の剛性を高くすることができる。さらにＳｉおよび／またはＡｌを含むため、マトリックスを固溶強化でき、強度にも優れた鋼材とすることができる。
【００１２】
【発明の実施形態】
本発明者等は、剛性および強度に優れた高強度・高剛性鋼を溶製法によって提供するべく、様々な角度から検討した。これまで剛性に優れた鋼材を得るには、高ヤング率を有する化合物を鋼材中に分散させることが有効であることは知られていたが、このような化合物を形成する元素を多量に添加すると、溶湯の冷却時に粗大な初晶を生じたり、化合物が凝集するため、均一な微分散状態とできず、鋼材の被削性や靭性が低下し、これらの特性と剛性および強度の両立を達成することは困難であった。
【００１３】
しかしながら、本発明者らは、鉄または鉄合金からなるマトリックス中に、ＴｉＢ2系化合物を上述の規定を満たすように均一に微分散させ、同時にＣを含有させることで、剛性と共に強度も兼ね備えた鋼材を提供し得ること、さらにこの鋼材にＳｉおよび／またはＡｌを添加することで、剛性、靭性および延性を阻害することなく、鋼材全体としての強度をより一層向上できることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
本発明の高強度・高剛性鋼は、鉄または鉄合金からなるマトリックス中にＴｉＢ2系化合物を５〜５０ｖｏｌ％分散させて溶製されたものである。
【００１５】
このようにして得られた鋼（鉄または鉄合金：以下、特に断らない限り「鋼」と言う）は、鋼自体の剛性が高く、そのヤング率は２２０〜３５０ＧＰａである。しかし、鋼マトリックス中の前記化合物の分散量が５ｖｏｌ％未満では、ヤング率が２２０ＧＰａ以上の高剛性鋼を得ることができない。ヤング率が２２０ＧＰａ以上の高剛性鋼を得るためには、５ｖｏｌ％以上の前記化合物を鋼マトリックス中に分散させることが必要である。より一層ヤング率を高めるためには１５ｖｏｌ％以上、さらには２０ｖｏｌ％以上の前記化合物を鋼マトリックス中に分散させることが望ましい。一方、前記化合物の鋼マトリックス中の分散量が５０ｖｏｌ％を超えると、溶製後の鋼中に前記化合物の凝集体等が生成して、靭性が低下し、構造部材としての使用が困難となる。また、靭性と機械加工性の観点から、前記化合物量は４０ｖｏｌ％以下にすることがより好ましい。
【００１６】
ここでＴｉＢ2系化合物とは、該化合物中のＴｉＢ2の割合が体積率で５０％以上であるものと規定するが、他のホウ化物、炭化物、窒化物などを含んでいても良く、これらの化合物が個々に複合化していてもかまわない。
【００１７】
本発明に係る鋼材に微分散させるＴｉＢ2系化合物のヤング率（ＴｉＢ2：５２９ＧＰａ）は、他のＴｉＣ（４５１ＧＰａ）、ＶＣ（４２１ＧＰａ）に比べて特に高く、得られる鋼の剛性を向上させるのに最も効果的である。しかし、剛性向上の手段としてＴｉＢ2を採用する場合、マトリックス中に多量にＣを添加すると、ＣはＴｉと結合して、ＴｉＣを生成する。その結果、Ｂが余剰成分として残り、この余剰Ｂは鉄ホウ化物（ＦｅＢ2）を生成する。このＦｅＢ2とＦｅの共晶温度は熱間加工される温度域に存在するため、熱間加工性を極端に低下させる。そのため、従来の知見では、高剛性が得られるＴｉＢ2系での剛性と強度の両立は難しいと考えられていた。
【００１８】
しかし、本発明者等は、前記高剛性鋼中に含まれるＴｉとＢの比（Ｔｉ／Ｂ）が質量比で２．１以上であれば、ＴｉＢ2系でも目的とする強度と剛性を兼ね備えた鋼が得られることを見出した。
【００１９】
Ｔｉ／Ｂの値が２．１未満であると、鋼中にＴｉＢ2として結合しない余剰Ｂが生じる。上述したように、余剰Ｂは鋼マトリックス中のＦｅと結合してＦｅＢ2を生成し、得られる鋼の熱間加工性を極端に低下させる。ゆえに、前記高剛性鋼中に含まれるＴｉとＢの比（Ｔｉ／Ｂ）は質量比で２．１以上であることが好ましい。より好ましくは２．２以上であり、更に好ましくは２．３以上である。ただし、Ｔｉが多くなり過ぎると延性および靭性が低下するため、Ｔｉ／Ｂは６以下に抑えることが好ましい。
【００２０】
上述した成分組成に加えて、マトリックス中のＣ含有量は質量％で０．１％を超え、［０．２５（Ｔｉ−２．１８Ｂ）＋０．１８］％未満であることが好ましい。Ｃは強度向上に不可欠の元素であり、Ｃ含有量が０．１％以下では強度向上に必要な炭化物の析出が不十分となり、鋼材に十分な強度を与えることができない。一方、Ｃ含有量が［０．２５（Ｔｉ−２．１８Ｂ）＋０．１８］％以上となると、鋼中に過剰なＣが存在することになり、過剰なＣはＴｉＣを生成する。その結果、余剰のＢを生じ、上述したようにＦｅＢ2が生成する。よって、ＦｅＢ2の生成を抑えて、熱間加工性を確保するためには、溶製後・熱処理前のＣ含有量を［０．２５（Ｔｉ−２．１８Ｂ）＋０．１８］％未満に抑えることが望ましい。
【００２１】
ＳｉおよびＡｌは、剛性を大幅に低下させることなくマトリックスの強化が期待できる固溶強化元素である。この効果を有効に発揮させるためには、前述の式（Ｓｉ＋０.５×Ａｌ）の値が０.３％以上となるようにＳｉおよびＡｌを添加する必要がある。しかし、添加量が６％を超えると、効果が飽和するだけでなく、鋼の熱間加工性を極端に低下させるため、添加量の上限は６％とするのがよい。好ましくは０．４%以上、４％以下である。
【００２２】
上述の効果は、ＳｉまたはＡｌのいずれかを単独で添加しても、あるいはこれらを複合物として添加しても同様に得られるものである。尚、前述の式において、Ａｌ含有量に０.５倍の係数を掛けたのは、高強度化の効果がＡｌはＳｉに比べて約半分であったためである。
【００２３】
固溶強化元素としては他にＮｉ,Ｃｕ,Ｐ,Ｎ等も存在するが、これらのうちＮｉおよびＣｕはオーステナイト安定元素であるため鋼の剛性を低下させる恐れがある。また、ＰはＦｅマトリックス中に多量に固溶できないためにマトリックス強化の効果が小さく、Ｎは多量に添加すると熱間加工性を低下させる。これらの理由から、本発明では固溶強化元素としてＳｉおよびＡｌを採用する。
【００２４】
また、該高強度・高剛性鋼に含まれるＣｒ量を３０％以下に抑えることも有効である。即ち、Ｃｒはマトリックスに固溶して剛性を向上させる働きがあるため添加することが好ましいが、その含有量が３０％を超えると剛性向上効果が飽和すると共に、かえって脆性が劣化するようになるので３０％以下とする必要がある。より好ましいＣｒの添加量の上限は２０％であり、好ましいＣｒ添加量の下限は０．５％である。
【００２５】
上記の元素以外に、焼入れ性向上を目的として、Ｃｕ：３．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｗ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下を添加しても良い。しかし、これらの選択元素を、上述した量を超えて添加しても効果は飽和し、コストアップするだけであるので無駄である。また、Ｃｕ，Ｎｉの場合には上述した様に剛性の劣化を生じる恐れがある。
【００２６】
本発明に係る高強度・高剛性鋼を製造するに際して、その溶製法としては、真空溶解法、プラズマ溶解法、コールドクルーシブル溶解法、アーク溶解法等が挙げられる。
【００２７】
尚、本発明の規定を満たす鉄系高強度・鋼剛性鋼は、剛性とともに十分な強度を備えたものであるので、溶製後に浸炭および浸窒等の特別な熱処理を行うことなく、それぞれの用途に供することができる。
【００２８】
【実施例】
以下実施例によって本発明をさらに詳述するが、下記実施例は本発明を制限するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することはすべて本発明の技術範囲に包含される。尚、「％」は特に断らない限り質量基準であり、各物性値は以下の方法で測定した。
【００２９】
［ヤング率］
サンプルから試験片を加工し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２８０に基づいてヤング率の測定を行った。
［引張強度］
サンプルからＪＩＳ５号の引張試験片を加工し、引張試験を行った。
【００３０】
製造例１  真空溶解
マトリックス成分として、クロム鋼（Ｃｒ：１５．０質量％、Ｃ：０．２質量％、Ｎ：０．０１質量％）を使用し、これを真空誘導炉に導入し、特開平１０−６８０４８号に記載されている様に、化合物が完全に溶解する温度（２２７３Ｋ）で溶解しておき、表１に示す組成となるように、Ｃ、Ｂ等を適宜添加した。次に、溶解したサンプルを鋳型または水冷鋳型に注湯して、２０ｋｇの鋼塊を製造した。冷却は、真空中（真空度：０．１３〜１．３Ｐａ）で行い、冷却・凝固の過程でＴｉとＢを反応させることによりＴｉＢ2を生成、晶出させ、ＴｉＢ2が分散した鋼を得た。このときの冷却速度は、鋳型の場合は約１０Ｋ／分程度、水冷鋳型の場合は４０Ｋ／分程度とした。
【００３１】
【表１】
0003917451.tif 000002
【００３２】
その後、熱間鍛造により直径２０ｍｍの丸棒に加工した後、各々の試験片に機械加工した。尚、サンプルＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈは、熱間鍛造時に割れが発生し、その後の処理が出来なかった。
【００３３】
得られた試験片を用いて、ヤング率の測定および引張り試験を行った。結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
0003917451.tif 000003
【００３５】
実験番号４は鋼中に分散しているＴｉＢ2量が少ないため、ヤング率の値が低い。実験番号６はサンプル中の炭素含有量が少なく、鋼材の強度向上に十分な炭化物量が得られなかっため、引張り強度が劣っていた。実験番号７はＳｉおよびＡｌ添加量が少なく、固溶強化が不十分であったため引張り強度が劣っていた。
【００３６】
これらに比べて、本発明の規定を満たす実験番号１〜３および５は、鋼材中に高剛性化合物が均一に微分散できたため高いヤング率を有しており、ＳｉおよびＡｌ添加による固溶強化の効果も得られているため引張り強度にも優れていた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の鉄系高強度・高剛性鋼は、加工性や靭延性を失うことなく剛性の大幅な向上を可能とし、さらに優れた強度を付与することもできたため、機械部品の小型軽量化に有用であり、その他の鉄鋼材料にも好適に用いることができる。