JP2019203148A - 非調質鋼部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の方向に延びたフェライト及びパーライトからなる微細な柱状組織を有し、機械特性に優れた非調質鋼部材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る非調質鋼部材は、フェライトとパーライトとからなる組織を有するものである。非調質鋼部材の長手方向に延びた幅２００μｍ以下の帯状のパーライト層と、パーライト層同士の間において、長手方向に延びて析出したフェライト層と、からなる柱状組織を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、非調質鋼部材及びその製造方法に関する。

特許文献１に開示されているように、焼入れ及び焼戻し処理が不要な非調質鋼が、自動車用鋼部材などとして広く使用されている。このような非調質鋼からなる鋼部材（以下、非調質鋼部材）は、一般的に、熱間鍛造などによって成形後、放冷されるため、フェライト／パーライトからなる等方的な組織を有している。

ところで、金属粉末層の所定領域にレーザビームなどを選択的に照射して溶融・凝固させた金属層を繰り返し積層することによって、三次元形状の金属部材を造形する積層造形方法が近年注目を浴びている。積層造形方法を用いれば、例えば軽量化のためのトポロジー最適化などによって複雑な形状に設計された鋼部材を製造することも可能となる。

特開２００７−２１１３１４号公報

非調質鋼部材の組織を、所定の方向に延びたフェライト／パーライトからなる微細な柱状組織に制御することができれば、優れた機械特性（引張強度、伸びなど）が得られる可能性がある。しかしながら、上述の通り、これまでの手法によって製造された非調質鋼部材の組織は等方的であり、所定の方向に延びた微細な柱状組織を有する非調質鋼部材は、未だ実現できていない。
なお、一方向凝固法でも柱状組織は得られるが、微細なものは得られない。

発明者らは、積層造形方法に着目し、非調質鋼部材において、所定の方向に延びたフェライト／パーライトからなる微細な柱状組織を得るべく鋭意検討を重ねた結果、以下の問題点を見出した。
レーザビームを照射するレーザ積層造形方法を用いて非調質鋼からなる鋼部材を造形した場合、冷却速度が速いため、フェライト／パーライト組織ではなくマルテンサイト組織となり、割れが発生し易い。すなわち、レーザ積層造形方法では、所定の方向に延びたフェライト／パーライトからなる微細な柱状組織が得られなかった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、所定の方向に延びたフェライト及びパーライトからなる微細な柱状組織を有し、機械特性に優れた非調質鋼部材及びその製造方法を提供するものである。

本発明の一態様に係る非調質鋼部材は、
フェライトとパーライトとからなる組織を有する非調質鋼部材であって、
当該非調質鋼部材の長手方向に延びた幅２００μｍ以下の帯状のパーライト層と、
前記パーライト層同士の間において、前記長手方向に延びて析出したフェライト層と、からなる柱状組織を有するものである。

本発明の一態様に係る非調質鋼部材は、非調質鋼部材の長手方向に延びた幅２００μｍ以下の帯状のパーライト層とパーライト層同士の間に析出したフェライト層とからなる微細な柱状組織を有するため、機械特性に優れている。

前記非調質鋼部材がトポロジー最適化されていてもよい。トポロジー最適化により軽量化できる上、トポロジー最適化によって形成された薄肉部がさらに微細な柱状組織を有し、機械特性も向上する。

本発明の一態様に係る非調質鋼部材の製造方法は、
非調質鋼粉末を層状に敷き詰めるステップと、
層状に敷き詰めた前記非調質鋼粉末に電子ビームを照射して予熱するステップと、
予熱した前記非調質鋼粉末の所定領域に電子ビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返し、
前記金属層を順次積層して三次元形状の非調質鋼部材を造形する非調質鋼部材の製造方法であって、
造形方向を前記非調質鋼部材の長手方向とすると共に、予熱するステップにおいて、前記非調質鋼粉末をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に加熱し、
前記非調質鋼部材の造形が完了した後、当該非調質鋼部材をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温から下部臨界冷却速度よりも遅い冷却速度で冷却するものである。

本発明の一態様に係る非調質鋼部材の製造方法では、造形方向を非調質鋼部材の長手方向とすると共に、予熱するステップにおいて、非調質鋼粉末をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に加熱する。そのため、オーステナイト単相を保持しつつ、造形方向すなわち長手方向に延びたオーステナイトからなる微細な柱状組織を得ることができる。そして、非調質鋼部材の造形が完了した後、当該非調質鋼部材をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温から下部臨界冷却速度よりも遅い冷却速度で冷却する。そのため、造形時に形成した微細な柱状オーステナイトの結晶粒界にフェライトが析出し、その間を埋めるようにパーライトが析出する。その結果、長手方向に延びたフェライト／パーライトからなる微細な柱状組織を有し、機械特性に優れた非調質鋼部材が得られる。

前記非調質鋼部材がトポロジー最適化されていてもよい。トポロジー最適化により軽量化できる上、トポロジー最適化によって形成された薄肉部がさらに微細な柱状組織を有し、機械特性も向上する。

本発明により、所定の方向に延びたフェライト及びパーライトからなる微細な柱状組織を有し、機械特性に優れた非調質鋼部材及びその製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法に用いる電子ビーム造形装置を示す模式断面図である。 第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る非調質鋼部材の一例であって、自動車用のコンロッドの平面図である。 台座２１直下の温度すなわち造形中の粉末床の温度チャートである。 実施例に係る非調質鋼部材のミクロ組織写真である。 サンプルＡ、Ｂ、Ｃの造形方向と長手方向との関係を示す模式断面図である。 サンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＳＬＭサンプルの引張試験による応力ひずみ曲線を比較して示したグラフである。 サンプルＡ、Ｂ、Ｃの疲労特性（Ｓ−Ｎ曲線）を比較して示したグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜非調質鋼部材の製造装置＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法に用いる製造装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法に用いる電子ビーム造形装置を示す模式断面図である。

なお、本明細書における非調質鋼部材とは、非調質鋼と同じ組成を有する鋼部材を意味する。すなわち、非調質鋼部材か否かの判断においては、組成のみを考慮し、熱加工履歴その他は考慮しないものとする。
また、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

図１に示すように、電子ビーム造形装置は、ｚ軸方向に延設された円筒状の電子ビームガンチャンバー１０と、電子ビームガンチャンバー１０の下側（ｚ軸負方向側）に設けられた箱型の造形チャンバー２０を備えている。電子ビームガンチャンバー１０及び造形チャンバー２０は、図示しない真空排気装置によって真空排気される。

図１に示すように、電子ビームガンチャンバー１０には、電子ビームガン１１、焦点コイル１２、偏向コイル１３が収容されている。
電子ビームガン１１は、電子ビームガンチャンバー１０の上部に設けられており、電子ビームガン１１から電子ビームＥＢが下方向（ｚ軸負方向）に出射される。

焦点コイル１２及び偏向コイル１３は、電子ビームＥＢを取り囲むように設けられている。電子ビームガン１１から出射された電子ビームＥＢは、焦点コイル１２を通過し、さらに偏向コイル１３を通過して、造形チャンバー２０に導入される。焦点コイル１２によって電子ビームＥＢの焦点を調整し、偏向コイル１３によって電子ビームＥＢを偏向させて走査する。

図１に示すように、造形チャンバー２０には、台座２１、ホッパー２２ａ、２２ｂ、レーキ２３が収容されている。
台座２１は、電子ビームガンチャンバー１０の中央部に設けられた平面視矩形状の板状部材であって上下方向に移動することができる。台座２１は、スタートプレートあるいはプラットフォームなどと呼ばれる。
ホッパー２２ａ、２２ｂは、台座２１のｘ軸方向両側の上部に設けられている。
レーキ２３は、台座２１上においてｙ軸方向に延設された棒状部材であって、ｘ軸方向に移動することができる。レーキ２３は、スキージなどとも呼ばれる。

ホッパー２２ａ、２２ｂには、原料である非調質鋼粉末３０が収容されている。
レーキ２３をｘ軸正方向に移動させることによって、ホッパー２２ａの下側開口部から供給された非調質鋼粉末３０を台座２１上に層状に敷き詰める。敷き詰めた非調質鋼粉末３０すなわち粉末床に電子ビームＥＢを照射して所定温度に予熱した後、所定領域に電子ビームＥＢを選択的に照射して溶融及び凝固させて金属層を形成する。敷き詰める非調質鋼粉末３０の厚さ（積層厚さ）は、例えば、５０〜８０μｍである。

同様に、レーキ２３をｘ軸負方向に移動させることによって、ホッパー２２ｂの下側開口部から供給された非調質鋼粉末３０を台座２１上に層状に敷き詰める。敷き詰めた非調質鋼粉末３０に電子ビームＥＢを照射して所定温度に予熱した後、所定領域に電子ビームＥＢを選択的に照射して溶融及び凝固させて金属層を形成する。

具体的には、レーキ２３をｘ軸正方向に移動させて、ホッパー２２ａから供給された非調質鋼粉末３０を敷き詰めて金属層を形成し、台座２１を降下させる。降下量は、積層厚さに等しい。そして、レーキ２３をｘ軸負方向に移動させて、ホッパー２２ｂから供給された非調質鋼粉末３０を敷き詰めて金属層を形成し、台座２１を降下させる。このように、非調質鋼粉末３０のホッパー２２ａからの供給とホッパー２２ｂからの供給とを交互に繰り返す。そのため、レーキ２３が移動する度に非調質鋼粉末３０を台座２１上に敷き詰めることができ、生産効率に優れている。

以上の通り、図１に示した電子ビーム造形装置では、敷き詰めた非調質鋼粉末３０に電子ビームＥＢを照射して金属層を形成する度に台座２１を降下させ、新たな金属層を順次積層していく。このような構成によって、台座２１上に非調質鋼部材４０を造形することができる。

＜非調質鋼部材の製造方法＞
次に、図２を参照して、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法について説明する。図２は、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法を示すフローチャートである。図２の説明に当たっては、図１を適宜参照する。

図２に示すように、まず、ホッパー２２ａ又はホッパー２２ｂの下側開口部から供給された非調質鋼粉末３０を台座２１上に層状に敷き詰める（ステップＳＴ１）。ここで、台座２１上に非調質鋼粉末３０を最初に敷き詰める際には、ステップＳＴ１の前に台座２１に電子ビームＥＢを照射して所定温度に予熱してもよい。

次に、敷き詰めた非調質鋼粉末３０に電子ビームＥＢを照射して予熱する（ステップＳＴ２）。ここで、非調質鋼粉末３０をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に加熱する。具体的には、例えば８００℃程度である。
次に、予熱した非調質鋼粉末３０の所定領域に電子ビームＥＢを照射し、溶融・凝固させて金属層を形成する（ステップＳＴ３）。

そして、造形が完了していなければ（ステップＳＴ４ＮＯ）、台座２１を積層厚さ分だけ降下させ、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ３を繰り返し、造形が完了していれば（ステップＳＴ４ＹＥＳ）、造形を終了する。すなわち、造形が完了するまで、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ３を繰り返し、金属層を順次積層して三次元形状の非調質鋼部材４０を造形する。そして、非調質鋼部材４０の造形が完了した後、当該非調質鋼部材４０を、オーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温から下部臨界冷却速度よりも遅い冷却速度で冷却する。
ここで、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法では、造形方向を非調質鋼部材４０の長手方向とする。なお、当然のことながら、非調質鋼部材４０の長手方向と造形方向とのある程度のずれは許容される。

第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法では、非調質鋼粉末３０を予熱するステップＳＴ２において、非調質鋼粉末３０をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に加熱する。そのため、オーステナイト単相を保持しつつ、造形方向すなわち長手方向に延びたオーステナイトからなる微細な柱状組織を得ることができる。そして、非調質鋼部材４０の造形が完了した後、当該非調質鋼部材４０を、オーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温から下部臨界冷却速度よりも遅い冷却速度で冷却する。そのため、造形時に形成した微細な柱状オーステナイトの結晶粒界にフェライトが析出し、その間を埋めるようにパーライトが析出する。その結果、長手方向に延びたフェライト／パーライトからなる微細な柱状組織を得ることができる。

＜非調質鋼部材＞
第１の実施形態に係る非調質鋼部材は、造形方向に延びた幅２００μｍ以下の帯状のパーライト層と、パーライト層同士の間に析出したフェライト層と、からなる柱状組織を有する。ここで、造形方向は、非調質鋼部材の長手方向である。このように、第１の実施形態に係る非調質鋼部材は、非調質鋼部材の長手方向に延びたフェライト及びパーライトからなる微細な柱状組織を有している。そのため、引張強度、伸び、疲労特性等の機械特性に優れている。第１の実施形態に係る非調質鋼部材の組織についての詳細は、実施例において後述する。

第１の実施形態に係る非調質鋼部材は、特に限定されないが、例えば自動車用のコンロッド、ピストン、カムシャフトなどである。これらの非調質鋼部材は、例えば軽量化のためのトポロジー最適化などによって複雑な形状に設計されていてもよい。ここで、図３は、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の一例であって、自動車用のコンロッドの平面図である。図３には、トポロジー最適化前後の形状が示されている。

図３に示すように、第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法を用いることによって、トポロジー最適化後の複雑な形状であっても造形することができる。図３に示すように、トポロジー最適化後の非調質鋼部材には、薄肉部が形成される。薄肉部では、冷却速度が速まり、柱状組織をより微細化することができる。図３に示したコンロッドは、いずれもの長手方向に延びたフェライト及びパーライトからなる微細な柱状組織を有しているため、引張強度、伸び、疲労特性等の機械特性に優れている。

以下に、第１の実施形態に係る非調質鋼部材及びその製造方法について、比較例及び実施例を挙げて詳細に説明する。しかしながら、第１の実施形態に係る非調質鋼部材及びその製造方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。

＜組織観察試験＞
非調質鋼粉末３０としては、組成Ｆｅ−０．４５Ｃ−０．３Ｓｉ−０．７Ｍｎ−０．００３Ｓ−０．１５Ｃｒ−０．１Ｖ、粒径４５〜１５０μｍの市販の非調質鋼と同等成分のものを用いた。電子ビーム造形装置としては、Ａｒｃａｍ社製Ａ２Ｘを用いた。積層厚さを７０μｍ、予熱温度を約８００℃とした。図４は、台座２１直下の温度すなわち粉末床の造形中の温度チャートである。横軸は時間、縦軸は温度を示している。図４に示すように、予熱温度が約８００℃に維持されている。すなわち、造形された非調質鋼部材が、造形が完了するまで約８００℃に維持される。造形完了後、下部臨界冷却速度よりも遅い冷却速度で冷却した。

図５は、実施例に係る非調質鋼部材のミクロ組織写真である。図５には、パーライト層幅が異なる実施例１、２が比較して示されている。実施例１については、サンプル形状を断面２５ｍｍ角の角柱状とし、電子ビームの電流を２０ｍＡ、走査速度を２５００ｍｍ／ｓとした。実施例２については、サンプル形状を断面１０ｍｍ角の角柱状とし、電子ビームの電流を１５ｍＡ、走査速度を２５００ｍｍ／ｓとした。

図５に示すように、実施例１に係る非調質鋼部材では、造形方向に延びた幅１００〜２００μｍの帯状のパーライト層と、その間において造形方向に線状に延びたフェライト層とからなる微細な柱状組織が得られた。実施例２に係る非調質鋼部材でも同様に微細な柱状組織が観察された。実施例２では、パーライト層の幅が５０〜１５０μｍであり、より微細な柱状組織が得られた。実施例２は実施例１よりもサンプル形状が小さく、凝固速度が速まったためであると考えられる。

微細な柱状組織が得られる理由について説明する。第１の実施形態に係る非調質鋼部材の製造方法では、電子ビームＥＢによって溶融する非調質鋼粉末３０の体積が非常に小さい。そのため、凝固時に生成されるオーステナイトを、造形方向に延びた結晶粒からなる微細な柱状組織に制御することができる。そして、このオーステナイトが予熱によりオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に保持されるため、造形完了までは微細な柱状オーステナイト組織が維持される。造形完了後の冷却過程において旧オーステナイト粒界に沿ってフェライトが線状に析出し、その隙間を埋めるように、旧オーステナイト粒内にパーライトが析出する。その結果、旧オーステナイト粒内に析出した幅２００μｍ以下の帯状のパーライトと、旧オーステナイト粒界に析出した線状のフェライトとが交互に整列した微細な柱状組織が得られる。

＜機械特性試験＞
微細な柱状組織が延びる方向が機械特性に及ぼす影響を調査するために、長手方向（応力負荷方向）に対する柱状組織が延びる方向が異なる３種類のサンプルＡ、Ｂ、Ｃを製造し、引張試験及び疲労試験を行った。サンプルＡ、Ｂ、Ｃ全てについて、サンプル形状を断面１０ｍｍ角の角柱状とし、電子ビームの電流を１６ｍＡ、走査速度を２８００ｍｍ／ｓとした。その他の条件は、組織観察試験と同様である。

図６は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃの造形方向（柱状組織成長方向）と長手方向との関係を示す模式断面図である。図６に示すように、サンプルＡの造形方向は、長手方向に垂直な方向とした。サンプルＢの造形方向は、長手方向に対して４５°の方向とした。サンプルＣの造形方向は、長手方向と一致させた。
さらに、比較のために、レーザ造形（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）装置を用いてサンプル（以下、ＳＬＭサンプルと呼ぶ）を製造した。ＳＬＭサンプルは、マルテンサイト組織を有していた。

図７は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＳＬＭサンプルの引張試験による応力ひずみ曲線を比較して示したグラフである。横軸がひずみ、縦軸は応力である。また、表１に各サンプルの引張強度及び破断伸びをまとめて示す。

ＳＬＭサンプルはマルテンサイト組織を有するため、図７、表１に示すように、１１００ＭＰａを超える引張強度を有するが、破断伸びが小さ過ぎ、靱性に劣る。
電子ビーム造形装置を用いたサンプルＡ、Ｂ、Ｃについては、図７、表１に示すように、機械特性に顕著な造形方向（柱状組織成長方向）依存性が確認された。具体的には、造形方向を造形物すなわち非調質鋼部材の長手方向に近付ける程、引張強度及び破断伸びのいずれもが向上した。このように、第１の実施形態の実施例に係るサンプルＣは、７００ＭＰａ近い引張強度と２０％を超える破断伸びという優れた機械特性を示した。その他のサンプルＢ、Ｃ、サンプルＳＬＭは第１の実施形態の比較例である。

図８は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃの疲労特性（Ｓ−Ｎ曲線）を比較して示したグラフである。横軸が破断までの繰り返し数、縦軸は応力である。図中に示した矢印は未破断であることを示している。図８に示すように、第１の実施形態の実施例に係るサンプルＣが最も優れた疲労特性を示した。

以上の通り、第１の実施形態の実施例に係るサンプルＣでは、帯状のパーライト層とその間に析出したフェライト層とからなる微細な柱状組織が、長手方向に延びている。そのため、その他のサンプルに比べ、引張強度、伸び、疲労特性等の機械特性に優れている。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ 電子ビームガンチャンバー
１１ 電子ビームガン
１２ 焦点コイル
１３ 偏向コイル
２０ 造形チャンバー
２１ 台座
２２ａ、２２ｂ ホッパー
２３ レーキ
３０ 非調質鋼粉末
４０ 非調質鋼部材
ＥＢ 電子ビーム

Claims (4)

1. フェライトとパーライトとからなる組織を有する非調質鋼部材であって、
   当該非調質鋼部材の長手方向に延びた幅２００μｍ以下の帯状のパーライト層と、
   前記パーライト層同士の間において、前記長手方向に延びて析出したフェライト層と、からなる柱状組織を有する、
   非調質鋼部材。
2. 前記非調質鋼部材がトポロジー最適化されている、
   請求項１に記載の非調質鋼部材。
3. 非調質鋼粉末を層状に敷き詰めるステップと、
   層状に敷き詰めた前記非調質鋼粉末に電子ビームを照射して予熱するステップと、
   予熱した前記非調質鋼粉末の所定領域に電子ビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返し、
   前記金属層を順次積層して三次元形状の非調質鋼部材を造形する非調質鋼部材の製造方法であって、
   造形方向を前記非調質鋼部材の長手方向とすると共に、予熱するステップにおいて、前記非調質鋼粉末をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に加熱し、
   前記非調質鋼部材の造形が完了した後、当該非調質鋼部材をオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温から下部臨界冷却速度よりも遅い冷却速度で冷却する、
   非調質鋼部材の製造方法。
4. 前記非調質鋼部材がトポロジー最適化されている、
   請求項３に記載の非調質鋼部材の製造方法。