JP2003293094A

JP2003293094A - 鉄系高強度・高剛性鋼

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Publication number: JP2003293094A
Application number: JP2002099784A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kako; 浩家口; Masahiro Nomura; 正裕野村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2003-10-15
Anticipated expiration: 2022-04-02
Also published as: JP3917451B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的安価な溶製法により、加工性や靭延性
を阻害することなく剛性の大幅な向上のみならず、強度
をも兼ね備えた高強度・高剛性鋼とその製造方法を提供
する。【解決手段】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５〜５０ｖ
ｏｌ％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。〔尚、上記（１）〜（３）式において、Ｔ
ｉ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ａｌはいずれも鋼中の質量％を示
す。〕

Description

【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２００ＧＰ
ａ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２００１−３０２
９９８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２２０ＧＰ
ａ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Ｆ
ｅＢ ₂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、Ｍ
ｏ：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、ＪＩＳＺ２２８０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１０−６８０４
８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】【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】【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。

Claims

【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５〜５０ｖ
ｏｌ％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。〕