JPH0770712A

JPH0770712A - 高剛性複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0770712A
Application number: JP22012393A
Authority: JP
Inventors: Sukeyoshi Yamamoto; 祐義山本; Kazutaka Asabe; 和孝阿佐部
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】【目的】ヤング率が25,000kgf/mm²超の高剛性材料お
よびその製造方法を提供すること。【構成】少なくとも全体としてフェライト系鋼組成を
有する粒子分散した複合粉末を押出比３以上の押出成形
し、次いで２次再結晶熱処理を行うことで、Cr:16重量
％超30重量％以下およびAl:0〜４重量％以下を含有する
フェライト系鋼のマトリックスに分散粒子を分散させて
成り、一定方向に対する垂直面における｛１１１｝面の
集積度がＸ線積分強度比で等方性多結晶体の30倍以上で
ある高剛性複合材料を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主に、自動車、航空機、
ロケット、産業用機械、ロボットなどの優れた剛性を必
要とする構造部材として利用される高剛性材料およびそ
の製造方法に関する。

【０００２】本発明にかかる高剛性複合材料は、例えば
より具体的には、自動車を主とするエンジン部品として
は、クランクシャフト、ピストンピン、コンロッド、各
種バルブへの利用、また機械部品としてはボールネジ等
の部品への利用、その他ゴルフクラブのシャフトへの利
用可能性もある。

【０００３】

【従来の技術】近年、例えば自動車用材料としては、燃
費向上を目的とする軽量化材料や、乗り心地の向上を目
的とする制振材料へのニーズが高まっている。軽量化の
ために高剛性材料を用いれば、高剛性材料によってたわ
み等の歪量を吸収でき、部品形状を小さくできるという
利点がある。高剛性材料が歪を吸収する性質を有してい
るからである。

【０００４】一方、制振材料として高剛性材料を用いる
ことによっても、少量の材料を使うだけで振動＝歪を吸
収することが可能となる。したがって、これからも明ら
かなように、自動車用の部品だけでなくあらゆる構造部
材において、小さな形状で大きな歪量を吸収することの
可能な高剛性材料に期待が集まっている。

【０００５】ところで、従来、合金元素添加や高ヤング
率粒子の分散複合化により、材料の剛性向上が図られて
きた。しかし、前者の場合、Fe基合金においては、Re元
素の添加によっても高々21,000から22,000kgf/mm²程度
のヤング率の向上しか得られず、後者の場合にも、Ti
(C, N)粒子等の分散複合化によっても高々24,000〜25,0
00kgf/mm² のヤング率が実用材料として得られるにすぎ
ず、また大量に粒子を添加する必要があるため延性、靱
性の点からも十分とはいえない。

【０００６】一方、鉄鋼材料では加工熱処理によりヤン
グ率の高い結晶方位を特定方向に揃えること、つまり集
積化することにより高剛性化を実現する手法が取り入れ
られている。すなわち、体心立方格子を有するフェライ
ト系鋼の｛111 ｝面の集積化を狙った材料設計、プロセ
ス設計である。

【０００７】しかしながら、特開昭56−23223 号公報や
特開昭59−83721 号公報に示されているように、従来
は、５〜10％以上の加工率の加工を施した後に720 〜90
0 ℃以下の温度で焼戻し、あるいは巻取り等の熱処理を
することで、一定方向に結晶方位を集積させても、その
ヤング率は高々23,000〜24,000kgf/mm²にすぎなかっ
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、より一般的には、高靱性を有した高剛性材料および
その製造方法を提案しようとするものである。より具体
的には、本発明の目的は、ヤング率が25,000kgf/mm²超
の高剛性材料およびその製造方法を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的を達成すべく種々の検討を重ねたところ、従来法にお
いて、加工熱処理法によっても僅かなヤング率の向上し
か得られない原因は、フェライト系鋼における｛111 ｝
面の集積度が等方性多結晶体に比べ高々15〜20倍と少な
いためであり、これは加工工程で導入される加工歪およ
びその蓄積が少ないためであることを知った。

【００１０】そこで、高加工歪付与の可能な材料系およ
びその付与方法を見出すために種々検討を重ねた結果、
次の点を見い出し、本発明を完成した。加工歪の導入には分散粒子による転位のピン止が有効
であり、そのような分散粒子を含む材料系においては例
えば押出比3 以上という熱間押出成形によって十分な歪
の付与が行われること。

【００１１】このように分散粒子によりピン止めされ
た転位が導入された複合材料は、次いで例えば1300℃と
いう高温の熱処理を行うことにより急激な２次再結晶が
起こるとともに加工方向に｛111 ｝面が著しく集積する
こと。ここに、本発明は、Cr:16 重量％超30重量％以
下、さらに所望によりAl：４重量％以下を含有するフェ
ライト鋼のマトリックスに分散粒子を分散させて成る複
合材料であって、一定方向における｛111 ｝面の集積度
が等方性多結晶体に比べＸ線積分強度比で30倍以上であ
ることを特徴とする高剛性複合材料である。

【００１２】上述のように一定方向における｛111 ｝面
の集積度が等方性多結晶体に比べＸ線積分強度比で30倍
以上にする手段としては各種あるが、実用手段としては
次の方法が考えられる。なお、「一定方向」とは、任意
の一つの方向ということであって、本発明にあっては少
なくともその方向で上述の関係を満足すればよい。一般
に、その「一定方向」は押出方向である。

【００１３】すなわち、粒子分散した複合粉末を押出比
３以上という強成形加工してから２次再結晶熱処理を行
う方法である。好ましくは、このような複合粉末は、機
械的合金化法によって製造したものを使用する。

【００１４】

【作用】次に、本発明において鋼組成などを上述のよう
に限定した理由を説明する。本発明において、複合材料
のマトリックスを体心立方格子の結晶構造を有するフェ
ライト系鋼でもって構成したのは、鉄の単結晶で確認さ
れているように＜１１１＞方向がもっともヤング率が高
く、フェライト鉄の場合、その値がほぼ29,000kgf/mm²
であるからである。

【００１５】本発明におけるマトリックス相は、Cr:16
重量％超、30重量％以下、さらに所望によりAl：４重量
％以下を含有するフェライト系相である。16重量％Cr超
とした理由は、フェライト形成元素としての添加目的の
他、耐食性を向上させるためである。

【００１６】すなわち、16％超のCr添加により、硝酸等
の各種酸に対する耐食性が向上するほか、海岸構造物で
問題となる海塩粒子環境下においても優れた耐候性を発
揮する特徴がある。また30重量％Cr以下とした理由は、
Crが30重量％を超えると、靱性・強度の低下が認められ
るからである。

【００１７】Alは所望により耐酸化性のために添加する
ことは有効である。ただし４％Al超の添加は靱性の低下
がみられる他、分散粒子がAl₂O₃ の場合、粒子の粗大化
により微細分散の効果が失われて剛性向上を阻害するこ
とがある。

【００１８】また、16％超のCrを添加した場合、Alの添
加量が４％を超えると、475 ℃脆性の問題が生ずる。す
なわち、高Cr高Al鋼においては、475 ℃付近の温度領域
における環境下に曝すと材料が脆くなる性質があり、４
％を超えるAlを添加するとこの問題が顕著に現れる。こ
のことは自動車エンジン、特に排気バルブ等の高温環境
下に曝される部品にとって大きな問題であるが、４.0％
Al以下に抑えることにより回避することができる。

【００１９】本発明におけるマトリックス相は、主に高
ヤング率を発現するフェライト相により構成されるもの
とするが、オ−ステナイト相やマルテンサイト相など他
の相については、ヤング率が25000 kgf/mm²を下回らな
い限りにおいて、もちろん混相組織となってもよい。他
の相については、5 ％以内なら問題ない。

【００２０】本発明はフェライト系鋼の有する特性を利
用して高剛性化を図るものであって、上述の組成を有す
る限りにおいて特に制限されないが、一般的には、次の
鋼組成を有するものが望ましい。

【００２１】Mn： 1.0％以下、Ni： 5.0％以下、Mo：
2.5％以下、Ｗ： 5.0％以下、Nb： 3.0％以下、Ti： 2.
0％以下、Ｖ： 2.0％以下、Si： 0.5％以下、Ｐ： 0.1
％以下、Ｓ： 0.1％以下、酸素：酸化物に含まれる酸素
分を除いて0.2 ％以下、Ｎ：窒化物に含まれるＮ分を除
いて0.2 ％以下、Ｃ：炭化物に含まれるＣ分を除いて0.
2 ％以下、残部鉄である。 (％表示はいずれも重量％) これらの元素は必ずしもすべてを含む必要はないが、強
度や靱性の向上を図る場合には、Ni、Mo、W 、Nb、Ti、
V 等の元素を１種または２種以上添加するのが望まし
い。すなわち、Ｃ、Mnは少量の添加で強度が向上し、Ni
添加は靱性向上に有効である。

【００２２】MoおよびW はそれぞれ2.5 ％、5.0 ％まで
の添加は固溶強化により強度を向上させるのに有効であ
るが、これを超えるとσ相等金属間化合物の粒界析出の
ため脆化することがある。

【００２３】Nb、Ti、V のそれぞれ少量の添加はＣを炭
化物として安定化させ、フェライト相を安定化し、また
析出強化により強度向上効果がある。しかし、それぞれ
3.0％、2.0 ％、2.0 ％超の添加は粒界等への炭化物析
出による脆化が認められることがある。

【００２４】さらに、Si、Ｐ、Ｓはそれぞれ0.5 ％以
下、0.1 ％以下、0.1 ％以下の不純物程度であれば許容
される。これを超えると粒界等への析出により靱性の低
下が認められる。酸素および窒素はそれぞれ0.2 ％以下
という少量の含有は強度を向上させるが、これを超える
と靱性が低下することがある。

【００２５】このように、本発明によれば、材料の高剛
性化を図るためには、フェライト系鋼において一つの方
向に対する垂直面において｛111 ｝面をより高度に集積
化することが重要である。フェライト系鋼における｛11
1 ｝面の集積化は加工歪＝転位の蓄積量が多いほど容易
である。そこで、加工工程で与えられた歪＝転位を、分
散粒子によりピン止めし、蓄積量を増すのである。。

【００２６】ここに、上記分散粒子としては、酸化物、
炭化物、窒化物、ほう化物、さらには金属間化合物等の
分散粒子があり、それらの平均粒径は、特にそれに制限
されるものではないが、好ましくは、0.005 〜0.1 μm
、その配合割合は、0.2 〜５％ (体積％) である。

【００２７】すなわち、その分散粒子の種類、形状、大
きさ、量には特に限定はないが、好ましくは、熱的に安
定であり、かつ、効果的に転位がピン止めされる大きさ
であり、また、実用材料として延性、靱性を確保するた
めには少量に制限することが良い。基地成分のフェライ
ト系鋼に1200℃以上の高温でも再固溶しない平均粒径0.
1 μm 以下、３体積％以下のほう化物、易酸化性金属元
素( 例: Al、Ti、Ｙ等) の酸化物粒子、窒化物粒子が好
ましい。

【００２８】かかる分散粒子を含むフェライト系鋼は、
1000〜1200℃程度の熱間押出成形が施されることにより
歪が蓄積される。もちろん、温間、冷間加工による歪付
与も良好であることは言うまでもない。強加工成形での
加工率は押出比３以上とするが、これよりも小さいと十
分な転位が導入されないおそれがあるからである。

【００２９】また、押出加工前にHIP 、CIP 、圧延、鍛
造を施しても、最終的に押出加工が押出比３以上で行わ
れれば加工歪が十分付与される。さらに、押出加工後、
HIP、圧延、鍛造等がなされても、押出による加工歪が
十分付与されていれば問題ない。

【００３０】さらに望ましくは、粒子を分散させる工程
において、冷間で強加工を加えながら均一微細分散させ
ることが可能な機械的合金化法を用いる。ここに、機械
的合金化法(MA)とは、ボールミル等を用いて、粉末を強
制的に冷間で混合し、圧延、鍛造、圧着を繰り返し行わ
せる方法である。

【００３１】このようにして強加工成形された複合材料
は、次いで、高温での２次再結晶熱処理を行うが、その
ときの熱処理条件は、マトリックスや分散粒子の種類、
数、量、サイズ等により異なるが、好ましくは、1100〜
1400℃×0.5 〜２時間の２次再結晶熱処理を行う。

【００３２】ここで、２次再結晶熱処理とは｛111 ｝面
を特定方向と垂直な面にそろえるために行う熱処理であ
る。換言すれば、そのような目的を達成できれば特定条
件の熱処理にのみ制限されない。

【００３３】このようにして得られた複合材料は、一定
方向に対する垂直面における｛111｝面の集積度がＸ線
積分強度比で等方性多結晶体の30倍以上となるが、これ
が30倍未満では本発明の目的とするヤング率が25,000kg
f/mm²超の高剛性材料を得ることができない。なお、上
記Ｘ線積分強度比30倍以上であることの判断基準のひと
つとして、一定方向に対する垂直面における｛222 ｝面
のＸ線積分強度と｛110 ｝面のＸ線積分強度との比が0.
10以上であることが挙げられる。

【００３４】ここに、これらの点についてさらに説明す
る。一般に、押出、圧延等の強加工により格子歪の導入
された微細組織を有する材料は熱処理により、格子歪エ
ネルギーを駆動力として１次再結晶を開始し、格子欠陥
の極めて少ない結晶粒に埋めつくされる。１次再結晶を
完了した材料は、さらに長時間または高温で熱処理する
ことにより、粒界エネルギーを駆動力とした１次再結晶
粒の粗大化が開始し、極めて粗大な２次再結晶粒組織を
形成する。

【００３５】本発明の場合、この一連の再結晶現象の過
程において<110> 押出集合組織は<111> ２次再結晶集合
組織に変化し、それに伴ってヤング率は約22,000kgf/mm
²から約29,000kgf/mm²にまで向上するのである。

【００３６】本発明にあっては、例えば0.2 体積％Y₂O₃
添加をした材料においては押出ままでは格子歪の導入さ
れた非常に微細な結晶粒組織を形成しているが、これに
1200℃×１hrの熱処理を加えると、２次再結晶現象の結
果として結晶粒の粗大化および<111> 集合組織の形成が
おこり、押出方向のヤング率が28,000kgf/mm²にまで向
上する。

【００３７】２次再結晶のための熱処理条件は、分散粒
子量および加工条件により異なるため、一概には決めら
れない。例えば、押出条件を1050℃、押出比を10にした
場合、0.2 体積％Y₂O₃添加では1200℃が２次再結晶温度
だが、0.5 体積％Y₂O₃添加では1300℃が２次再結晶温度
となる。これは分散粒子が再結晶過程において粒界移動
を阻むインヒビターとして働き、分散粒子が多い程その
効果が大きいからである。

【００３８】また分散粒子量を0.5 体積％Y₂O₃に固定し
た場合、押出温度が低く、押出比が高い程、結晶温度は
低くなる。これは、導入される格子歪エネルギーが大き
い方が再結晶がより低温で開始するためである。

【００３９】ここで、高剛性材料の一定方向、つまり押
出方向への｛111 ｝面あるいは｛110 ｝面の集積度は本
発明においては、等方性 (ランダム) 多結晶体 (例え
ば、充填率65％、密度5.1 g/cm³ の還元鉄粉末試料を標
準試料とする) に対するＸ線積分強度比で記述するもの
である。

【００４０】Ｘ線積分強度比を求めるには、例えばフェ
ライト鋼の押出方向での｛110 ｝面、｛222 ｝面のピー
クのＸ線積分強度を測定し、それぞれＩ₁₁₀、Ｉ₂₂₂と
し、同様に標準試料についても測定し、それぞれ
Ｉ⁰ ₁₁₀、Ｉ⁰ ₂₂₂とする。このとき｛１１０｝面の積分強
度比はＩ₁₁₀/Ｉ⁰ ₁₁₀、｛222 ｝面の積分強度比はＩ₂₂₂
／Ｉ⁰ ₂₂₂で表わされる。

【００４１】かくして、本発明にあっては、ヤング率25
000kgf/mm²超、多くは、28000kgf/mm²以上をもった高剛
性材料が提供される。

【００４２】

【実施例】以下、実施例により本発明の作用効果を詳細
に説明する。平均結晶粒径が、約0.02μm のY₂O₃粒子、
およびそれぞれ0.02、0.06、0.10μm のAl₂O₃ 粒子、な
らびに0.02μm のTiC 、AlN 、TiB₂、BN粒子と電解鉄粉
末 (平均粒径約100 μm)、Ｃ (黒鉛) 粉末 (約３μm)、
Mn粉末 (約10μm)、Ni粉末 (約100 μm)、Cr粉末 (約40
μm)、Al粉末 (約60μm)、Mo粉末 (約３μm)、Ｗ粉末
(約２μm)、Nb粉末 (約50μm)、Ti粉末 (約10μm)、Ｖ
粉末 (約20μm)、Fe−22Ｃr −３Al合金粉末 (ガスアト
マイズ粉末、約30μm ) を用いてアトリッション型のボ
ールミルで機械的合金化法 (MA) を行い複合粉末を作製
した。各粉末の配合割合は全体としてフェライト系鋼の
組成となるようにした。

【００４３】次いで、これらの複合粉末を用いて、押
出、HIP ＋押出、HIP ＋鍛造＋押出、CIP ＋鍛造＋押
出、押出＋鍛造、押出＋圧延等種々条件で、強加工成形
後、1100〜1450℃×１時間加熱後、空冷の熱処理を行っ
た。

【００４４】表１、表２はマトリックスが22％Cr−３％
Al鋼の場合であり、表３は16〜35％Cr−０〜３％Al鋼お
よびそれに他の添加元素を含む場合である。ここで、N
o.8、9 、10、11はFe−22Ｃr −３Al合金ガスアトマイ
ズ粉末をマトリックス原料粉として使用し、それ以外は
元素粉末の配合粉末を原料粉とした。

【００４５】このようにして得られた材料の加工方向に
おける｛111 ｝面の集積度、およびヤング率、シャルピ
ー衝撃値を測定した。また、475 ℃脆性の影響を調べる
ために、これらの材料に475 ×24時間 (大気雰囲気) の
熱処理を施した後、室温にて再びシャルピー衝撃値を測
定した。これらの結果を比較例とともに、表１〜３にま
とめて示す。

【００４６】分散粒子量の影響を本発明例であるNo.2、
３、４、比較例であるNo.1に示す。分散粒子のない場合
は、２次再結晶がほとんどおこらず、｛111 ｝面の集積
化も生ぜず、ヤング率は高くならない。分散粒子が必須
であることがわかる。分散粒子量が多くなると、最適２
次再結晶温度が高くなるが、｛111 ｝面の集積化は生
じ、高ヤング率を発現する。

【００４７】熱処理条件の影響を1100℃〜1450℃まで温
度を変えて調査した。すでに述べたように、一般には11
00〜1400×0.5 〜２時間で十分であるが、本例の場合に
は、本発明例No.5、比較例No.23 、24に示すように、熱
処理温度が低くても、高くても２次再結晶が生ぜず最適
温度が1200〜1400℃程度に存在することがわかる。もち
ろん、この２次再結晶最適温度は、組成成分、分散粒子
種、径、量によって異なる。

【００４８】比較例No.1、本発明例No.3、５、８、９、
10、11から明らかな様に高剛性化するためには、微細な
分散粒子の存在が必須である。微細分散粒子が存在する
場合は、すべて熱処理により２次再結晶化し｛111 ｝面
の集積度が30倍以上となっているが、分散粒子のない場
合はどの様な熱処理条件においても２次再結晶せず、し
たがって｛111 ｝面の集積化はほとんど生じなかった。

【００４９】加工条件の影響を本発明例No. ５、12、1
3、15、16、17、18、19、20、21、比較例No.14 に示
す。これからも明らかなように押出工程が必要であり、
その温度が低い程、また押出比が高い程、２次再結晶が
生じやすい傾向にある。また、押出比３以上でないと、
２次再結晶による｛111 ｝面の集積化は不十分でありヤ
ング率が十分でない。

【００５０】最後に成分の影響であるが、表３に示す様
に本質的にはマトリックスがフェライト相であれば、も
ちろん高ヤング率が得られるが。No. 43に示されるよう
なフェライトとオ−ステナイトの混相組織を有するマト
リックスにおいても25000 kgf/mm²以上のヤング率が得
られることがある。

【００５１】16 Ｃr 以上の成分ではAlの増加は475 ℃
脆性を引き起こす。この475 脆性は４％Al以下の組成に
おいてはみられず４％Alを超える組成において顕著にみ
られた。 (比較例No. 29、50、５１）

【００５２】

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】

【表３】

【００５５】

【発明の効果】本発明により、大幅な加工歪付与が可能
となり｛111 ｝面の集積度の著しい向上が図られた。そ
の結果、ヤング率25,000kgf/mm²超の高剛性材料の製造
が可能となり、各種バネ材、各種シャフト材、振動吸収
を必要とする自動車をはじめとする各種構造部材への適
用が可能となった。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 Cr: 16重量％超30重量％以下およびAl:0
〜４重量％以下を含有するフェライト系鋼のマトリック
スに分散粒子を分散させて成る複合材料であって、一定
方向に対する垂直面における｛１１１｝面の集積度がＸ
線積分強度比で等方性多結晶体の30倍以上であることを
特徴とする高剛性複合材料。
【請求項２】 Cr：16重量％超30重量％以下およびAl:0
〜４重量％以下を含有するフェライト系鋼のマトリック
スに分散粒子を分散させて成る複合材料であって、一定
方向に対する垂直面における｛２２２｝のＸ線積分強度
と｛１１０｝面のＸ線積分強度との比が0.10以上である
ことを特徴とする高剛性複合材料。
【請求項３】粒子分散した複合粉末を加工した後、熱
処理を施す高剛性複合材料の製造方法であって、該加工
が少なくとも押出比３以上の押出成形を含み、該熱処理
が２次再結晶熱処理であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の高剛性複合材料の製造方法。
【請求項４】前記複合粉末を機械的合金化法によって
粒子分散させて得ることを特徴とする請求項３記載の高
剛性複合材料の製造方法。