铁基合金及其制造方法技术

一种铁基合金，含有Ｃ：１．５～２．５ｗｔ％、Ｎｉ：０．２５～４．７５ｗｔ％、以及附图的图１中所示的线ａ所包围的区域表示的量的Ｗ和Ｖ，剩余部分由Ｆｅ及不可避免的杂质构成。通过从奥氏体化温度以上的温度急冷，来施以固溶处理，由此得到马氏体和残余奥氏体的基体组织与未溶解碳化物的混合组织的第１热处理工序、以及在共析相变温度区间使析出ＭＣ型碳化物后进行冷却，由此使低碳奥氏体析出的第２热处理工序，从而得到上述铁基合金。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过显示高的杨氏模量谋求提高刚性并且适于轻量紧凑化的。在谋求轻量化中，具有将材料替换成轻的金属的手段，例如在替换成铝合金和镁合金等轻合金的场合，由于强度不足而变得大型化，难于达成紧凑化。又，使用陶瓷可以谋求轻量化，但由于韧性低、成本变高等理由对于结构材料并不适宜。另外，也在进行在铁中添加陶瓷颗粒等强化颗粒的显示高杨氏模量的钢铁材料的研究。但是，在添加上述强化颗粒中，由于强化颗粒与基体的密着状态不完全，又强化颗粒在晶界偏析，因此不能得到理论值的杨氏模量，加之伴随强化颗粒的添加量的增加，颗粒之间相互聚集而粗大化，导致韧性下降，所以同时兼得高的疲劳强度困难。又，由于强化颗粒的存在所引起的高变形抗力以及强化颗粒在晶界的偏析所引起的延性降低，导致轧制等塑性加工困难，因此难于通过塑性加工谋求细化γ晶粒提高韧性的问题依然存在。另一方面，以往的高强度材料的代表性的材料组织马氏体，通过施以回火其韧性变高，但是原来C含量少并且其C大部分是固溶于铁中而存在，因此Fe3C(渗碳体)相少，不能期待通过Fe3C相的分散作用来提高杨氏模量。因此，本专利技术不添加强化颗粒而确保高水平的杨氏模量、韧性、强度等的机械特性，并且在确保这些特性的前提下抑制比重的升高，作为结果，以提供谋求轻量紧凑化的为目的。图2示意地表示本专利技术的铁基合金的组织，如该图所示，在由显示高强度以及韧性的马氏体(M)、显示高韧性的奥氏体(γ)所构成的基体组织中，点状存在WC、VC等杨氏模量高的MC型碳化物(MC)。本专利技术的铁基合金含有Mn0.25％～1.7wt％也可以。Mn除了取得脱氧效果和提高被切削性的效果以外，对γ相的生成作出贡献。又，本专利技术的铁基合金可以使其添加Ti0.3wt％以下、Nb0.6wt％以下、Mo10wt％以下、Cr15wt％以下、以及B0.005wt％以下之中的一种或2种以上。Ti和Nb是碳化物生成元素，而Mo、Cr以及B是基体强化元素。其次，本专利技术的铁基合金的制造方法，是适于制造上述本专利技术的铁基合金的制造方法，其特征在于，具有以下工序对于含有C1.5～2.5wt％、Ni0.25～4.75wt％以及附图的附图说明图1所示的线a所包围的区域表示的量的W和V，剩余部分为Fe和不可避免的杂质构成的铁基合金，从奥氏体化温度以上的温度急冷，施以固溶处理，由此得到马氏体和残余奥氏体基体组织与未溶解碳化物的混合组织的第1热处理工序、以及在共析相变温度区间使其析出MC型碳化物后进行冷却，由此使低碳奥氏体析出的第2热处理工序。本专利技术的制造方法，首先通过熔炼等手段得到由上述组成构成的铁基合金的材料，此时，W和V分别以WC和W2C、以及VC和V2C的状态存在。其次，根据需要，进行塑性加工等成型加工后，在第1热处理工序加热至W系碳化物完全固溶的900℃以上、最好是V系碳化物能更多地固溶的1000℃以上的温度，然后急冷。急冷用的致冷剂，只要准备能使材料充分急冷的容量，使用水也可以，此时如果产生淬裂等问题，则可以采用油冷或盐浴淬火。由第1热处理工序得到的组织是马氏体和残余奥氏体(γ相)的基体组织与主要是V系碳化物的未固溶的未溶解碳化物的混合组织。第2热处理工序，是对第1热处理工序得到的材料进行回火使其生成MC型碳化物的同时，使其析出γ相的工序。回火是在共析相变温度(Al相变温度)保持规定时间后进行冷却。此时，通过含有0.5～2.5wt％的Ni，共析相变温度产生能容许操作上的温度波动的温度区间。在上述温度区间内，形成铁素体、奥氏体、碳化物三者共存的区域，通过在该区域内保持规定的时间，马氏体转变成回火马氏体以及奥氏体。这些相变的结果，过饱和的V和W以碳化物形式析出。在这些碳化物中，W首先以WC析出，可是V首先以V2C析出，伴随保温时间的经过，接受由马氏体分解所产生的碳的供给，变成V8C7(大致可说为VC)。如果保温时间过短，则尤其是VC碳化物的MC化不充分；如果保温时间过长，则回火马氏体向奥氏体转变，在该奥氏体中碳固溶，因此V8C7和WC返回到V2C和W2C。上述保温时间在30～120分钟的范围内能得到MC型碳化物，但温度范围在45～105分钟为宜，因为此范围得到的MC型碳化物量最多。在共析相变温度进行回火的理由，是由于在低于共析相变温度的温度下生成MC型碳化物需要较长的时间，在超过共析相变温度的温度下马氏体迅速地向奥氏体转变，因此不能得到MC型碳化物且杨氏模量以及强度降低的缘故。其次，在保温后的冷却阶段，由于含有0.5～2.5wt％的Ni，在Al相变点以下的温度引起由铁素体产生奥氏体的转变，这样生成的奥氏体所固溶的碳量少，因此具有极高的韧性和延性。又，在添加Ni的基础上，如果含有0.25～1.7wt％的Mn，则共析相变温度区间更加扩大，因此操作管理变得容易。又，在析出处理后的冷却时，还具有辅助生成奥氏体的效果。通过这样的第1以及第2热处理所得到的材料组织，形成在由回火马氏体和低碳奥氏体构成的基体组织中点状存在MC型碳化物的组织，因此显示高的强度和杨氏模量、以及优异的韧性。本专利技术的铁基合金中所含有的上述MC型碳化物，其含量越多，杨氏模量也越高，在体积率为100％的场合成为陶瓷，为了均衡性好地满足韧性、延性、机械加工性、成本等各种条件，要求适宜的量。MC型碳化物，从韧性、延性等机械特性方面来看体积率的上限定在32％，但考虑成本时，体积率的上限取25％为宜。又，作为含量的下限，为了使杨氏模量提高，要求体积率在17％以上。关于MC型碳化物的比重，如果WC多，则对得到高的杨氏模量是有效的，但比重提高，在轻量化这一点不利。因此，通过使WC和VC共存，可以得到与基础钢铁同等或低于其的比重。本专利技术所得到的铁基合金的基体组织以低C浓度的亚共析组织为宜。本专利技术的铁基合金的基本组成，碳浓度较高，通常为过共析组织。一般地，碳素钢的C含量越高，则韧性与延性越低，这起因于碳化物呈网状地析出。因此，为使基体组织亚共析化使其成为低碳浓度，在高于共析温度的温度下使其生成碳化物，从而使基体组织的碳浓度降低。为此，添加比Fe更富有活性且生成杨氏模量高的碳化物的元素是有效的，上述V、W、Ti、Nb、Mo、B等是对此适宜的元素。通过从熔融状态凝固时初晶或初析的这些元素的碳化物，基体组织的碳浓度低于共析浓度而亚共析化。碳化物片状的比网状的韧性和强度提高，球状的比片状的韧性和强度提高。亚共析组织中的碳化物容易形成球状，因此基体组织以亚共析组织为宜。其次，叙述本专利技术的铁基合金所含有的各种元素的数值限定的根据。C1.5～2.5wt％C是为了与V、W一起生成碳化物的必要元素。如果C含量低于1.5wt％，由于碳化物量不足而不能得到明显的杨氏模量的提高效果。另一方面，如果C含量超过2.5wt％，则由于碳化物量过多而韧性显著降低。因此C含量定为1.5～2.5wt％。W和V在图1所示线a所包围的区域表示的量通过在该区域内控制W和V的含量，可以抑制MC型以外的碳化物生成，与此同时MC型碳化物的体积率被控制在17～32％、并将比重控制在一般使用的钢铁材料(耐热材料)的上限8.3以下。本专利技术关于体积率与比重以达到这些数值为目的。Ni0.25～4.75wt％Ni在本专利技术的第2热处理工序使共析相变温度产生可容许操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁基合金，其特征在于，含有Ｃ：１．５～２．５ｗｔ％、Ｎｉ：０．２５～４．７５ｗｔ％以及附图的图１中所示的线ａ所包围的区域表示的量的Ｗ和Ｖ、剩余部分由Ｆｅ以及不可避免的杂质构成，在基体组织中含有ＭＣ型碳化物。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：菅原毅巳，山田范之，阿左美诚，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]