JPH0250189B2

JPH0250189B2 -

Info

Publication number: JPH0250189B2
Application number: JP58033140A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Masumoto; Akihisa Inoe; Hiroyuki Tomioka
Original assignee: YUNICHIKA KK
Current assignee: YUNICHIKA KK
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1990-11-01
Also published as: JPS59162254A; CA1231559A; DE3475921D1; EP0119035B1; EP0119035A1; US4586957A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、加工性に優れたFe基合金材料に関
するものである。（従来の技術）従来より、Ni及びCrを含有する鉄鋼材料には、
Ni−Cr鋼及びステンレス鋼等がある。特に、周
知のごとくステンレス鋼には数多くの種類があ
り、それぞれが耐蝕性、耐候性、耐酸化性、溶接
性、冷間加工性、被削性、加工硬化性等に優れて
おり、各種化学工業、建築、タービン関係、航空
機、車両等に広く利用されている。しかしながら、ステンレス鋼でもオーステナイ
ト系、フエライト系、マルテンサイト系、析出硬
化系等があり、それぞれ長所・短所を有してい
る。例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼は、
高い強度と硬さが得られるのにもかかわらず、
Cr量が約13重量％と低いか、あるいは炭素量が
約0.7重量％と高いために、オーステナイト系、
フエライト系ステンレス鋼よりも耐蝕性に劣り、
また、深絞り冷間鍛造等成型性にも劣る。次に、
オーステナイト系ステンレス鋼は、耐蝕性等に優
れているにもかかわらず、引張強さは約60Kg／mm²
程度と低く、しかも加工硬化させても、それほど
高強度とはなりえなかつた。また、靭性、加工性を向上させるために、結晶
粒の微細化処理が行われるが、普通鋼とは異な
り、オーステナイト系ステンレス鋼は熱処理によ
る結晶粒の微細化が困難であり、熱間加工により
成形品の結晶粒は著しく粗大化しやすいという難
点があつた。さらに、フエライト系ステンレス鋼
はオーステナイト系ステンレス鋼に比して安価で
あるが、その反面、加工性又は耐蝕性の面で不利
である。一方、Ni−Cr系オーステナイト鋼のＣ量を増
加して高温強度を高めた材料として、ACI（Alloy
Casting Institute）規格のHHあるいはHK鋼が
知られているが、これらの鋼は、通常鋳造により
製品化されるため生産性が低く、その性質につい
ても多量のＣを含み、粗大炭化物を含む組織であ
るため、クリープ延性あるいは熱疲れ特性が
SUS347等に比べて著しく劣つている。また、高引張強度を示す金属材料としては、ピ
アノ線、マルエージング鋼等がある。しかし、こ
れらピアノ線、マルエージング鋼は、粗大化した
炭化物、析出物を含有するので、加工硬化等を付
与するための熱間及び冷間加工工程が煩雑にな
り、特に極細線となると、伸線材の延性が不足し
て引切れやすくなる。他方、特開昭56−3651号公報には、L1₂型金属
間化合物に靭性を与えた報告がなされている。こ
の合金組成は、Ni及びMnの少なくとも１つが５
〜70重量％（3.9〜67.0原子％）、Alが４〜12重量
％（7.2〜22.5原子％）、Ｃが0.2〜2.6重量％（0.7
〜11.0原子％）又はＣと0.2重量％（0.8原子％）
以下のＮとが0.2〜2.6重量％（0.7〜11.0原子％）
で、残部がFeであり、ほとんどがL1₂型金属間化
合物で構成され、かつＣ又はＣとＮのほとんどが
前記金属間化合物に固溶している金属間化合物材
料である。また、上記合金にCr、Mo、Ｗの少な
くとも１つを７重量％以下添加すること、Ni及
びMnをCoで45重量％以下置換することも可能で
あると記載されており、そのほかTi、Ta、Zr、
Nb及びSiの少なくとも１つを２重量％以下であ
れば微量添加でき、Cr、Mo、Ｗ、Co、Ti、Ta、
Zr、Nb及びSiを添加しても、ほとんどL1₂型金属
間化合物で構成され、かつＣ又はＣとＮのほとん
どが前記金属間化合物中に固溶しているL1₂型金
属間化合物材料であつた。（発明が解決しようとする課題）この金属間化合物材料は、低Cr（７重量％以
下）、高Al含有量及び高Ｃ含有量ゆえに構造は規
則化し、逆位相領域を有するようになり靭性を示
すようになつたが、上記組成範囲内でのみ靭性を
有し、Al量が４重量％未満の場合には、L1₂型金
属間化合物を形成せず、強度は低く、また、12重
量％以上では、L1₂型金属間化合物を形成する
が、ねばさが著しく低下し、脆くなる。Ni量に
ついても、５重量％以下では炭化物形成によりね
ばさを著しく損ない、一方、70重量％以上では、
Fe₃Cを形成してねばさを失つてしまう。Ｃ含有
量についても、0.2重量％以下では急冷効果があ
らわれず、L1₂型金属間化合物を形成することが
できず脆くなり、2.6重量％では、急冷しても
Fe₃Cの析出を防ぐことが困難となり、著しく延
性を失い、脆くなる。このように、このL1₂型金
属間化合物材料は、前記組成範囲内でのみ靭性を
有し、前記組成範囲外では直ちに炭化物の析出等
が起こり、全く靭性を失い、脆くなつて実用に供
さないものであつた。また、この合金組成からなるL1₂型金属間化合
物材料は、靭性を有しているが、線引、圧延及び
熱処理加工等がしにくく、しかも加工による機械
的性質等の向上はほとんど期待できない。例え
ば、上記L1₂型金属間化合物材料中、最高の破断
強度約175Kg／mm²を有する69.6Fe−20Ni−8Al−
2.4C（重量％）組成合金材は、先にも述べたよう
に逆位相境界を多く含み、微細な逆位相領域を有
しているため、加工硬化を全くせず、何らかの事
後処理を施しても、急冷材以上に破断強度、降伏
強度を改善することが全くできなかつた。また、
この金属間化合物材料は非平衡相であるがため、
600℃、1hr程度の熱処理を行うと、急激的に逆位
相境界が消滅し、靭性をもたせるために必要不可
欠であつた微細な逆位相領域が消滅するため、平
衡相のL1₂型金属間化合物となり、延性を失い、
全く脆くなつてしまい、熱的にはかなり不安定な
材料であつた。さらに、この金属間化合物材料
は、粒内に逆位相境界という一種の境界を有して
おり、また、極高炭素の材料であるがゆえに、耐
蝕性についてもかなり乏しいものであつた。（課題を解決するための手段）そこで、本発明者らは、結晶粒の微細化、超微
細な析出物の均一分散強化により、優れた加工性
を有すると同時に強靭性を有するFe基合金材料
を提供することを目的として鋭意研究した結果、
特定の組成からなるFe基合金を溶湯状態から急
冷固化すると、上記の目的がすべて達成できるこ
とを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、Ni及びMnの少なくとも
１つが２〜60原子％（３〜72重量％）、Crが7.5〜
60原子％（７〜68重量％）、Alが0.5〜12原子％
（0.25〜７重量％）、Ｃ、Ｂ及びＰのうちの少なく
とも１つが0.5〜10原子％（Ｃ、Ｂについては0.1
〜２重量％、Ｐについては0.3〜５重量％）で、
残部が実質的にFeからなる加工性に優れたFe基
合金材料を要旨とするものである。本発明の合金材料について説明すると、Ni及
びMnは、靭性を有するオーステナイト相を安定
化するのに必須の元素の中の１つであり、Ni及
びMnの少なくとも１つが２〜60原子％（３〜72
重量％）必要で、好ましくは３〜50原子％（３〜
59重量％）である。Ni及びMnの少なくとも１つ
が２原子％（３重量％）未満、また、60原子％
（72重量％）より多ければ、粗大化した多量の析
出物を生じるために靭性は低下し、脆く、加工性
が低下する。 Crは、Ni及びMnを共存してオーステナイト相
を安定化するはたらきがあるが、Crは7.5〜60原
子％（７〜68重量％）必要で、好ましくは7.5〜
50原子％（７〜54重量％）である。Crが7.5原子
％（７重量％）未満では、延性及び靭性が低下
し、加工性に乏しくなり、また、60原子％（68重
量％）より多い場合は、不均一に粗大化した析出
物が析出するようになり、脆く、加工性がなくな
る。 Alは、0.5〜12原子％（0.25〜７重量％）であ
ることが必要で、好ましくは１〜10原子％（0.5
〜5.5重量％）である。Alが0.5原子％（0.25重量
％）未満では、溶湯状態かや急冷固化して直接リ
ボン状、テープ状及び細線状の材料を製造するこ
とが困難となり、また、12原子％（７重量％）よ
り多い場合は、Al化合物を生じ、靭性、加工性
が低下する。Ｃ、Ｂ及びＰのうち少なくとも１つが0.5〜10
原子％（Ｃ、Ｂについては0.1〜２重量％、Ｐに
ついては0.3〜５重量％）であることが必要であ
り、好ましくは0.5〜８原子％（Ｃ、Ｂについて
は0.1〜1.5重量％、Ｐについては0.3〜４重量％）
で、特にＣはオーステナイト相形成元素としても
必須であり、なおかつＣ、Ｂ及びＰは、急冷をき
かせる効果、また、それぞれ炭化物、ホウ化物、
リン化物となつて母相に均一に分散して複合強化
の役割を果たし、高強度を得るためには不可欠な
要素となる。しかし、これらＣ、Ｂ及びＰのうち
の少なくとも１つが0.5原子％（Ｃ、Ｂについて
は0.1重量％、Ｐについては0.3重量％）未満で
は、急冷固化した時に非平衡相を得ることが困難
となり、また、10原子％（Ｃ、Ｂについては２重
量％、Ｐについては５重量％）より多ければ、析
出物の粗大化が起こり、脆く、加工性が低下し、
実用に供さなくなる。本発明の合金材料は、低Ni量低Cr量及び低Ｃ
量の場合には、ラスマルテンサイト相と微量のオ
ーステナイト相の混合相に超微細な析出物が均一
に分散された組織であり、Ni、Cr及びＣ量が増
すにつれてラスマルテンサイト相が減少し、オー
ステナイト相が増加していく。このように、本発
明の合金材料は、ラスマルテンサイト相及び均一
に分散された超微細な析出物による効果により、
高い破断強度、良好な靭性及び優れた加工性を有
するようになる。特に線引、圧延、熱処理等によ
る加工を加えると、オーステナイト相が加工誘起
マルテンサイト変態を起こし、靭性を飛躍的に向
上させることができる。線引加工及び圧延加工等
により、靭性、強度の向上はNi及びMnの少なく
とも１つが３〜40原子％（４〜46重量％）で、
Crが7.5〜30原子％（7.5〜31重量％）で、Alが２
〜10原子％（１〜５重量％）で、Ｃ、Ｂ及びＰの
うちの少なくとも１つが0.5〜６原子％（Ｃ、Ｂ
については0.1〜１重量％、Ｐについては0.3〜３
重量％）で、残部がFeである組成範囲が最も好
ましい。上記組成範囲において、特に本発明の合金材料
は極めて優れた加工性を有しており、また、上記
組成範囲にて存在するオーステナイト相は、準安
定で強加工により加工誘起マルテンサイト変態を
起こしやすい状態にある。すなわち、上記組成範
囲内の本発明の合金材料は、ラスマルテンサイト
相とオーステナイト相の二相混在及びラスマルテ
ンサイト相又はオーステナイト相単相組織に超微
細な析出物が均一に分散している組織であり、高
い靭性を有し、さらに加工を加えることにより加
工誘起マルテンサイト変態を起こし、例えば85％
以上の冷間線引加工が可能で、破断強度は約400
Kg／mm²程度以上の高強力を有するようになる。し
かもそのうえ、先に記述したごとく、熱処理を加
えられた場合に非平衡状態から平衡状態に急激に
変化し、全く脆くなつてしまうL1₂型金属化合物
（特開昭56−3651号公報）とは異なり、本発明の
合金材料は、熱処理を加えた場合、非平衡状態か
ら平衡状態へ変わる途中に、直径約0.03μｍ以下
という超微細な析出物がラスマルテンサイトの転
位上に均一に分散された状態で析出するので、析
出硬化により靭性の向上に効果がある。そして、
析出により非平衡状態が平衡状態にまで達しうる
ことができないために靭性を全く損なわず、非平
衡状態ながら熱的に極めて安定で、従来の非平衡
相の常識を全く覆す材料である。特にこの直径約
0.03μｍ以下という超微細な析出物による析出硬
化作用は、ラスマルテンサイト相を含む低Ni、
低Cr及び低Ｃ領域に著しく、Niが３〜20原子％
（3.5〜22重量％）で、Crが7.5〜25原子％（7.5〜
25重量％）で、Alが１〜７原子％（0.5〜3.5重量
％）で、Ｃ、Ｂ及びＰのうちの少なくとも１つが
0.5〜４原子％（Ｃ、Ｂについては0.1〜0.8重量
％、Ｐについては0.3〜２重量％）で、残部が実
質的にFeよりなる組成範囲が最も好ましく、ま
た、熱処理条件は、例えば、450〜700℃で１時間
程度が好ましい。また、本発明の合金材料にNb、Ta、Ti、
Mo、Ｖ、Ｗ及びCuからなる群より選ばれた一種
又は二種以上の元素を５原子％以下（Ti、Ｖ、
Cuについては５重量％以下、Nb、Moについて
は８重量％以下、Ta、Ｗについては16重量％以
下）で添加すると、急冷材は固溶体硬化により靭
性の改善及び耐蝕性、耐酸化性の改善がみられ
る。特に上記析出硬化作用の著しい組成範囲、す
なわち、熱処理条件の範囲内において、Nb、
Ta、Ti、Mo、Ｖ、Ｗ及びCuからなる群より選
ばれた一種又は二種以上の元素を５原子％以下
（Ti、Ｖ、Cuについては５重量％以下、Nb、Mo
については８重量％以下、Ta、Ｗについては16
重量％以下）で添加すると、析出硬化がより著し
くなり、さらに高い破断強度、靭性を示すように
なるが、５原子％（Ti、Ｖ、Cuについては５重
量％、Nb、Moについては８重量％、Ta、Ｗに
ついては16重量％）より多く添加した場合には、
急冷凝固材は脆くなる傾向がある。また、上記合金系において、通常の工業材料中
に存在する程度の不純物、例えばＳ、Sn、In、
As、Sb、Si、Ｏ及びＮ等が少量含まれていても、
本発明を達成するには何ら支障をきたすものでは
ない。本発明の合金材料を製造するには、前記合金組
成を用い、雰囲気中もしくは真空中で加熱溶融
し、これを急冷凝固させればよい。その急冷方法
としては種々あるが、例えば、液体急冷法である
片ロール法、双ロール法並びに回転液中紡糸法
（特開昭56−64948号公報）が特に有効である。ま
た、板状合金は、ピストン−アンビル法、スプラ
ツトクエンチング法等で製造することもできる。
前記の液体急冷法（片ロール法、双ロール法、回
転液中紡糸法）は約10⁴〜10⁵℃／secの冷却速度
を有しており、また、ピストン−アンビル法、ス
プラツトクエンチング法では約10⁵〜10⁶℃／sec
の冷却速度を有しているので、これらの急冷法を
適用することによつて、効率よく急冷凝固させる
ことができる。（実施例）次に、本発明を実施例により具体的に説明す
る。実施例１〜44、比較例１〜８表−１に示す各種組成からなるFe−（Ni、Mn）
−Cr−Al−（Ｃ、Ｐ、Ｂ）系合金をアルゴンガス
雰囲気中で溶融した後、アルゴンガス噴出圧3.5
Kg／cm²で、孔径0.13mmφのルビー製紡糸ノズルに
より、280rpmで回転している内径500mmφの円筒
ドラム内に形成された温度６℃、深さ2.5cmの回
転冷却水中に噴出して急冷凝固させ、円形断面を
有する連続細線を作成した。このとき、紡糸ノズ
ルと回転冷却液面との距離は１mmに保持し、紡糸
ノズルより噴出された溶融金属流とその回転冷却
液面とのなす角は65°であつた。また、この細線
の組織をＸ線回析光顕及び透過電顕により観察し
た。次に、この細線を市販されているダイヤモンド
ダイスを用い、中間焼なましを行うことなく、連
続して冷間線引を行つた。なお、これらの試料の破断強度は、インストロ
ン型引張試験機を用い、室温にて速度4.17×10^-4
sec^-1の条件下で測定した。これらの結果について表−１にまとめて示す。表−１における急冷凝固材（線材）の組織欄で
の記号は、γ；オーステナイト相、α′；ラスマル
テンサイト相、α；フエライト相、Ａ；粗大化し
た析出物、Ｂ；直径約0.1μｍ以下程度の超微細な
均一に分散した析出物を表す。

【表】

【表】表−１より明らかなごとく、実験No.３〜６、８
〜11、14、15、19〜22は、本発明の合金材料であ
り、ラスマルテンサイト相と均一分散した超微細
な析出物により強化され、急冷材のままでも高い
強度を示した。また、これらの本発明の合金材料
中のオーステナイト相は、冷間線引により強加工
が加わると加工誘起マルテンサイト変態を起こ
し、約400Kg／mm²程度の高強度を有するようにな
つた。ところが、実験No.２、18のL1₂型金属間化
合物材料は約20〜40％程度の圧下率までしか冷間
線引加工ができず、それ以上の冷間線引加工をす
ると、破断を頻発して加工ができず、しかも加工
を加えても加工硬化を生じないため、破断強度等
の機械的性質に関してほとんど改良されなかつ
た。また、実験No.１、12、16は、ラスマルテンサイ
ト相又はオーステナイト相に粗大化した析出物が
存在ため非常に脆く、冷間線引加工ができなかつ
た。実験No.13、17は、それぞれＣ及びAlの添加
量が少ないため、急冷効果及び細線形成能がない
ため、線細状の試料を得ることができなかつた。実施例15〜29、比較例９〜16 Fe−Ni−Cr−Al−Ｃ−Ｍ（Ｍ＝Nb、Ta、Ti、
Mo、Ｖ、Ｗ及びCuからなる群より選ばれた一種
又は二種以上の元素）系合金におけるＭ元素の添
加効果について検討するために、実施例１と同一
の装置及び条件によつて、線径約80〜130μｍの
連続細線を作成し、破断強度及び180°密着曲げ性
について検討した。また、550℃、１時間焼もど
しを行つた時の破断強度の向上について表−２に
まとめて示す。

【表】

【表】表−２より明らかなごとく、実験No.23〜31、
33、35、37、39、41、43は本発明の合金材料で、
Nb、Ta、Ti、Mo、Ｖ、Ｗ及びCuを少量添加す
ることにより、急冷凝固材料では、ねばさを有し
たまま固溶体硬化により５〜15Kg／mm²の破断強度
が向上した。また、焼もどし処理をした材料の透
過電顕観察を行うと、急冷凝固材にあつた超微細
な析出物とは別に、新たにそれよりもさらに超微
細な直径約0.03μｍ以下の析出物が均一に分散し
た状態で析出していた。液体急冷により製造され
た材料は、成分偏析がほとんどないため、熱処理
によつて生じる析出物も、急冷凝固した際に生じ
る析出物と同様に、超微細で均一に析出する超微
細な析出物は、特に本発明の合金材料では脆い平
衡相にはならないために、ねばさを全く失わず、
析出硬化により破断強度も30〜90Kg／mm²程度向上
した。一方、実験No.45は、液体急冷によつて得ら
れた非平衡L1₂型金属間化合物材料で、本発明の
合金材料とは異なり、析出等の現象を伴わず、焼
もどしにより非平衡相から急激に平衡相に変わる
ので、全く脆くなつてしまい、熱的に不安定な材
料であつた。また、実験No.32、34、36、38、40、
42、44は、Nb、Ta、Ti、Mo、Ｖ、Ｗ及びCuの
添加量が急冷凝固によつて固溶できる適量を越え
ているため、固溶できなくなり、脆い各析出物が
析出するため、ねばさを失い、実用に供しなくな
つた。実施例 30〜44 Fe−（Ni、Mn）−Cr−Al−（Ｃ、Ｂ、Ｐ）−Ｍ
（Ｍ＝Nb、Ta、Ti、Mo、Ｖ、Ｗ及びCuからな
る群より選ばれた一種又は二種以上の元素）系合
金において、実施例１と同一の装置及び条件によ
つて、線径約90〜120μｍの連続細線を作成し、
急冷凝固材料の破断強度及びその組織、さらに
は、実施例１と同様に冷間線引を行い、冷間線引
材の破断強度を測定した。これらの結果について表−３にまとめて示す。

【表】

【表】表−３より明らかなごとく、実験No.46〜60は、
本発明の合金材料であり、それらは、直径約0.1μ
ｍ以下程度の超微細な均一に分散した析出物を有
するオーステナイト相であり、急冷凝固状態でも
高い破断強度を有し、さらに、冷間伸線加工を施
すことにより、破断強度は飛躍的に向上した。（発明の効果）本発明の合金材料は、連続して冷間加工を行う
ことができ、圧延、線引加工により寸法精度及び
機械的性質を飛躍的に向上させることができる。
特に細線状材料は、線引加工により容易に圧下率
85％以上、線径にして0.01mm以下の高強度極細線
を製造することができる。また、加工工程の途中
に必要に応じて焼なまし等の熱処理を加えること
も可能である。このような液体急冷法の高速化、
工程の単純さは、本発明の合金材料を製造するに
際して製造費の低減、省エネルギーといつた効果
をももたらす。このようにして得られた本発明の合金材料は、
優れた加工性を有し、高い引張強度、良好な靭性
を有し、また、耐蝕性、耐疲労性、耐酸化性に優
れており、電気抵抗も高く、電磁気特性も良好な
ことから、各種工業用材料、複合材料、フイルタ
ー及びストレーナ用材料、発熱用抵抗体、吸音材
用繊維等広く用いられ、工業的に非常に有用な材
料である。

Claims

【特許請求の範囲】

１ Ni及びMnの少なくとも１つが２〜60原子％
で、Crが7.5〜60原子％で、Alが0.5〜12原子％
で、Ｃ、Ｂ及びＰのうちの少なくとも１つが0.5
〜10原子％で、残部が実質的にFeからなる加工
性に優れたFe基合金材料。