(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％、
Ｓｉ＜２．２ｗｔ％、
０．９ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．７ｗｔ％、
０．５ｗｔ％≦Ｎｉ≦１．５ｗｔ％、
Ｎｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）≦１．１２
および不可避不純物を含む残部Ｆｅ
よりなるＦｅ系素材のＡｃｍ温度がＴA であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ1 をＴ1 ≧ＴA に、また冷却条件を、冷却速度ＣＲが２５０℃／min 以上の急冷にそれぞれ設定した熱処理を施す第１工程と、
前記Ｆｅ系素材のマトリックスへのＣ固溶量が０．１６ｗｔ％であるときの温度がＴS １であり、また前記Ｃ固溶量が０．４０ｗｔ％であるときの温度がＴS ２であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ2 をＴS １≦Ｔ2 ≦ＴS ２に、また加熱時間ｔを  ３０min ≦ｔ≦１８０min にそれぞれ設定した熱処理を施した後、空冷するようにして、前記第１工程を経た前記Ｆｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようにした第２工程と
を順次行うことを特徴とする、高ヤング率高靱性Ｆｅ系部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高ヤング率高靱性Ｆｅ系部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｆｅ系部材において、そのヤング率を向上させるための方法としては、Ｆｅ系部材のマトリックスに、高いヤング率を持つ強化用繊維、強化用粒子等の分散材を複合させる、という方法が公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来法によると、分散材がマトリックスに凝集したり、また分散材の表面性状が悪い場合には、Ｆｅ系部材の靱性が大いに損われる、という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定組成のＦｅ系素材に、特定の熱処理を施すことによって特定の金属組織を現出させ、これにより高ヤング率高靱性を兼備したＦｅ系部材を量産することのできる前記製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、
０．６ｗｔ％≦Ｃ≦１．９ｗｔ％、
Ｓｉ＜２．２ｗｔ％、
０．９ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．７ｗｔ％、
０．５ｗｔ％≦Ｎｉ≦１．５ｗｔ％、
Ｎｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）≦１．１２
および不可避不純物を含む残部Ｆｅ
よりなるＦｅ系素材のＡｃｍ温度がＴA であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ1 をＴ1 ≧ＴA に、また冷却条件を、冷却速度ＣＲが２５０℃／min 以上の急冷にそれぞれ設定した熱処理を施す第１工程と、前記Ｆｅ系素材のマトリックスへのＣ固溶量が０．１６ｗｔ％であるときの温度がＴS １であり、また前記Ｃ固溶量が０．４０ｗｔ％であるときの温度がＴS ２であるとき、そのＦｅ系素材に対し、加熱温度Ｔ2 をＴS １≦Ｔ2 ≦ＴS ２に、また加熱時間ｔを  ３０min ≦ｔ≦１８０min にそれぞれ設定した熱処理を施した後、空冷するようにして、前記第１工程を経た前記Ｆｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようにした第２工程とを順次行う高ヤング率高靱性Ｆｅ系部材の製造方法が提供される。
【０００６】
前記組成のＦｅ系素材に前記第１工程の熱処理を施すと、その凝固組織は１次熱処理組織に改変される。その１次熱処理組織は、例えばマルテンサイトよりなるマトリックス、多数の塊状残留γ相等より構成される。第１工程において、前記条件を変化させると、前記のような１次熱処理組織を得ることができない。また急冷に当っては、その冷却速度ＣＲを通常の油冷、強制空冷レベル以上、したがってＣＲ≧２５０℃／min に設定するもので、これには、例えば油冷、水冷等が適用される。
【０００７】
次いで、１次熱処理組織を持つＦｅ系素材に、前記第２工程の熱処理を施すと、その１次熱処理組織は２次熱処理組織に改変される。第２工程では、マトリックスへのＣ固溶量ＳＣが０．１６ｗｔ％≦ＳＣ≦０．４０ｗｔ％に抑制され、それに応じて微細な粒状炭化物の析出が促進される。そのため、２次熱処理組織は、例えばα相よりなるマトリックス、多数の微細粒状炭化物、多数の粒状黒鉛、多数の塊状析出γ相等より構成される。第２工程の加熱時間ｔは、３０min ≦ｔ≦１８０min が適当である。この２次熱処理組織には微細な短繊維状炭化物が含まれることもある。
【０００８】
２次熱処理組織において、微細粒状炭化物はＦｅ系部材のヤング率向上に寄与し、また析出γ相はＦｅ系部材の靱性向上に寄与する。
【０００９】
第２工程において、加熱温度Ｔ2 がＴ2 ＜ＴS １ではマトリックスへのＣ固溶量ＣＳが少なく、また微細粒状炭化物の析出量も少ない。一方、加熱温度Ｔ2 がＴ2 ＞ＴS ２では前記Ｃ固溶量ＣＳが増加する反面、微細粒状炭化物の析出量が減少する。加熱時間ｔ＜３０min の場合は、Ｔ2 ＜ＴS １の場合に、一方、Ｔ＞１８０min の場合はＴ2 ＞ＴS ２の場合にそれぞれ該当する。
【００１０】
前記Ｆｅ系素材の組成において、Ｃは、ヤング率向上に寄与する微細粒状炭化物を生成する。この微細粒状炭化物の生成量を増すため、Ｃを多く添加する必要があり、そこで、Ｃ含有量の下限値を０．６ｗｔ％とした。一方、Ｃ＞１．９ｗｔ％では、炭化物量だけでなく、黒鉛量も増し、また共晶炭化物および共晶黒鉛が晶出するためＦｅ系部材が脆化する。Ｆｅ系部材のヤング率および靱性を高めるためには、Ｃ含有量は、好ましくはＣ≦１．０ｗｔ％である。
【００１１】
Ｓｉは、脱酸および黒鉛化を促進すると共にα相に固溶してそれを強化する。Ｓｉ含有量を多くすると、Ｃ含有量が多いため黒鉛量が増すので、Ｓｉ含有量はＳｉ＜２．２ｗｔ％、好ましくは、Ｓｉ≦１．０ｗｔ％に設定される。
【００１２】
Ｍｎは、脱酸および微細粒状炭化物の生成を促進し、またα相、γ相および黒鉛の共存域を拡張する効果を有する。ただし、Ｍｎ含有量がＭｎ＜０．９ｗｔ％では前記炭化物の生成が減少し、一方、Ｍｎ＞１．７ｗｔ％ではＦｅ系部材が脆化する。
【００１３】
Ｎｉは、γ相生成元素であって、常温下で析出γ相を僅かに存在させてそこに不純物を取籠め、これによりＦｅ系部材の靱性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためにはＮｉ含有量を約１ｗｔ％に設定するのが望ましい。またＮｉは両温度ＴS １，ＴS ２間の温度差ΔＴを拡張する上で、顕著な効果を発揮する。ただし、Ｎｉ含有量がＮｉ＜０．５ｗｔ％では前記両効果を得ることができず、一方、Ｎｉ＞１．５ｗｔ％に設定しても前記温度差ΔＴの拡張量は変わらない。
【００１４】
この場合、ＭｎおよびＮｉの含有量の比が、Ｎｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）＞１．１２になると、Ｆｅ系部材の黒鉛量が増してそのヤング率が低下する。
【００１５】
Ｆｅ系素材には、前記合金元素の外に、必要に応じてＡｌおよびＮが添加される。Ａｌは、Ｍｎと同様に脱酸ならびにα相、γ相および黒鉛の共存域拡張効果を有し、またα相および黒鉛生成元素でもある。Ａｌ含有量の通常の上限値は１．２ｗｔ％である。Ｎは、僅かな添加量でα相、γ相および黒鉛の共存域拡張効果を発揮する。ただし、マトリックスに固溶しきれないと、空孔となって部材の機械的特性を劣化させ、また黒鉛の核になって黒鉛量の増加をもたらす。そのためＮ含有量の上限値は０．４５ｗｔ％に設定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
表１は、実施例で使用するＦｅ系素材ａおよび比較例で使用するＦｅ系素材ｂの組成を示す。両Ｆｅ系素材ａ，ｂは金型鋳造法により鋳造されたものである。
【００１７】
【表１】
0004109763.tif 000002
【００１８】
Ｆｅ系素材ａ，ｂのＡｃｍ温度ＴA および固相線温度ＴS （実施例では加熱温度Ｔ1 の上限値）ならびにＣ固溶量ＣＳ＝０．１６ｗｔ％のときの温度ＴS １およびＣＳ＝０．４０ｗｔ％のときの温度ＴS ２は表２の通りである。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
Ｆｅ系素材ａ，ｂを用い、表２、図１，図２に示す条件にて第１，第２工程を行って、Ｆｅ系素材ａに対応するＦｅ系部材Ａと、Ｆｅ系素材ｂに対応するＦｅ系部材Ｂをそれぞれ製造した。またＦｅ系素材ａに、１１００℃、圧下率約９０％といった条件で熱間圧延加工を施し、次いでそのＦｅ系素材ａを用い、Ｆｅ系部材Ａと同一条件で第１，第２工程を行ってＦｅ系部材Ａ1 を製造した。
【００２１】
図３は、第１工程を経たＦｅ系素材ａの１次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真であり、図４は図３の概略写図である。その１次熱処理組織は、マルテンサイトよりなるマトリックス、多数の塊状残留γ相等より構成される。
【００２２】
図５は、Ｆｅ系部材Ａの２次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真であり、図６は図５の概略写図である。その２次熱処理組織は、α相よりなるマトリックス、多数の微細粒状炭化物（主としてＦｅ3 Ｃ）、多数の粒状黒鉛、多数の塊状析出γ相等より構成される。
【００２３】
この２次熱処理組織において、微細炭化物である微細粒状炭化物はＦｅ系部材Ａのヤング率向上に寄与する。この場合、１μｍ2 当りの微細粒状炭化物の平均個数は１．０５個以上であることが望ましい。この微細粒状炭化物量は、金属顕微鏡等による金属組織の画像解析を行って、１μｍ2 当りの微細粒状炭化物の数を複数箇所について求め、それらの平均値を算出する、といった方法で求められた。２次熱処理組織に前記微細な短繊維状炭化物が含まれる場合にはそれもＦｅ系部材Ａのヤング率向上に寄与する。
【００２４】
また析出γ相は不純物を取籠めてＦｅ系部材Ａの靱性向上に寄与し、そのためには析出γ相の含有量ｄはｄ≧０．２５ｗｔ％であることが望ましい。この析出γ相の含有量ｄは、Thermo-Calc 等の熱力学データベースを用いて、状態図から析出γ相を算出する、といった方法で求められた。
【００２５】
両Ｆｅ系部材Ａ，Ａ1 ，Ｂについて、前記方法により１μｍ2 当りの微細粒状炭化物の平均個数および析出γ相の含有量ｄを求め、また引張り試験を行って、それらの引張強さおよびヤング率を求め、さらにシャルピー衝撃試験を行ってシャルピー衝撃値を求めたところ、表３の結果を得た。
【００２６】
【表３】
0004109763.tif 000004
【００２７】
表３から明らかなように、実施例によるＦｅ系部材Ａは、比較例によるＦｅ系部材Ｂに比べて、ヤング率が約１．１倍、またシャルピー衝撃値が約８．２倍、さらに強度が約１．３倍それぞれ向上しており、したがって高ヤング率、高靱性および高強度を兼備することが判る。また圧延加工を施されたＦｅ系素材ａを用いた実施例によるＦｅ系部材Ａ1 はＦｅ系部材Ａに比べてシャルピー衝撃値が約２倍向上していた。
【００２８】
図７は、温度と、Ｆｅ系素材ａのマトリックスへのＣ固溶量ＣＳならびにＦｅ系部材Ａにおけるヤング率および炭化物の面積率との関係を示す。図７から明らかなように、マトリックスへのＣ固溶量ＣＳが０．１６ｗｔ％であるときの温度ＴS １と、それが０．４０ｗｔ％であるときの温度ＴS ２との間に第２工程の加熱温度Ｔ2 を設定すると、Ｆｅ系部材Ａにおける炭化物の析出量が多く、その部材Ａのヤング率が大いに高められることが判る。
【００２９】
図８は、Ｆｅ系部材におけるＭｎおよびＮｉ含有量の比Ｎｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）と、ヤング率および黒鉛の面積率との関係を示す。図８から明らかなように、Ｎｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）≦１．１２では黒鉛の面積率が低く、ヤング率が高いが、Ｎｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）＞１．１２ではそれらの関係が逆転する。
【００３０】
図９は、Ｆｅ系部材における１μｍ2 当りの微細粒状炭化物の平均個数とヤング率との関係を示す。図９より、その平均個数を１．０５個以上に設定するとＦｅ系部材のヤング率が大幅に向上することが判る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のような特定の手段を採用すること（即ち前記した特定の第１，第２工程を順次行うこと）によって、第１工程を経たＦｅ系素材の１次熱処理組織が、微細粒状炭化物及び析出γ相を含む２次熱処理組織に改変されるようになり、その２次熱処理組織において、微細粒状炭化物はＦｅ系部材のヤング率向上に寄与し、また析出γ相はＦｅ系部材の靱性向上に寄与するものであり、これにより、高ヤング率で、且つ高靱性、若しくは実用上必要な靱性を具備したＦｅ系部材を量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｆｅ系部材Ａを得るための熱サイクルを示す。
【図２】  Ｆｅ系部材Ｂを得るための熱サイクルを示す。
【図３】  Ｆｅ系素材ａの１次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真である。
【図４】  図３の概略写図である。
【図５】  Ｆｅ系部材Ａの２次熱処理組織（金属組織）を示す顕微鏡写真である。
【図６】  図５の概略写図である。
【図７】  温度と、Ｆｅ系素材のマトリックスへのＣ固溶量ＣＳならびにＦｅ系部材におけるヤング率および炭化物の面積率との関係を示すグラフである。
【図８】  Ｆｅ系部材におけるＮｉ（ｗｔ％）／Ｍｎ（ｗｔ％）と、ヤング率および黒鉛の面積率との関係を示すグラフである。
【図９】  Ｆｅ系部材における１μｍ2 当りの微細粒状炭化物の平均個数とヤング率との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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