7633126 高剛性鉄基合金、及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-10

(45)【発行日】2025-02-19

(54)【発明の名称】高剛性鉄基合金、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 33/02 20060101AFI20250212BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20250212BHJP

   B22F 3/26 20060101ALI20250212BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20250212BHJP

   B22F 10/38 20210101ALI20250212BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20250212BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20250212BHJP

   C22C 1/10 20230101ALI20250212BHJP

   C22C 14/00 20060101ALN20250212BHJP

   C22C 38/00 20060101ALN20250212BHJP

【ＦＩ】

C22C33/02 103G

B22F1/00 S

B22F3/26 Z

B22F10/28

B22F10/38

B33Y10/00

B33Y70/00

C22C1/10 K

C22C14/00 Z

C22C38/00 304

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021139912

(22)【出願日】2021-08-30

(65)【公開番号】P2023033932

(43)【公開日】2023-03-13

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鴨 雄貴

(72)【発明者】

【氏名】前田 千芳利

(72)【発明者】

【氏名】青柳 健大

(72)【発明者】

【氏名】松尾 優太朗

(72)【発明者】

【氏名】千葉 晶彦

(72)【発明者】

【氏名】山中 謙太

(72)【発明者】

【氏名】卞 華康

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０８８９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８４２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０６６９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４４１９１３０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００，１／１４，３／１０５，３／１６，３／２６，

１０／００，１０／２８，１０／３８

Ｂ３３Ｙ １０／００，７０／００

Ｃ２２Ｃ １／１０，１４／００，３３／０２，３８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄又は鉄合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散しているホウ化チタンとを含む高剛性鉄基合金であって、
マトリックスのＩＰＦ画像による結晶粒の円相当平均粒径が、０．１μｍ～０．５μｍであり、ここで、マトリックスのＩＰＦ画像による結晶粒の円相当平均粒径は、まず、測定の対象となる高剛性鉄基合金のＥＢＳＤ－ＩＰＦ画像を３画像撮影し、次に、各画像において、ランダムに３０個の結晶粒を選択し、続いて、選択した各結晶粒について面積を算出し、算出した面積から円相当径を算出し、最後に、算出した円相当径から加算平均値をとることで算出され、
ホウ化チタンのＳＥＭ画像による円相当平均粒径が、０．０１μｍ～０．２μｍであり、ここで、ホウ化チタンのＳＥＭ画像による円相当平均粒径は、まず、測定の対象となる高剛性鉄基合金のＢＳＥ－ＳＥＭ画像を３画像撮影し、次に、各画像において、ランダムに３００個のホウ化チタンを選択し、続いて、選択した各ホウ化チタンについて面積を算出し、算出した面積から円相当径を算出し、最後に、算出した円相当径から加算平均値をとることで算出される、
高剛性鉄基合金。

【請求項2】

（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程であって、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料が、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末である、工程、並びに
（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る工程であって、電子ビームによる処理がＰＢＦ方式の電子ビーム照射を伴う積層造形法である、工程
を含む、高剛性鉄基合金を製造する方法。

【請求項3】

（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程であって、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料が、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体である、工程、並びに
（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る工程であって、電子ビームによる処理がＤＥＤ方式の電子ビーム照射を伴う積層造形法である、工程
を含む、高剛性鉄基合金を製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄又は鉄合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散している微細なホウ化チタンとを含む高剛性鉄基合金、及び積層造形法によって、当該高剛性鉄基合金を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、構造用金属材料として、鋼又は鉄合金がもっとも広く利用されている。これら金属材料は、合金元素添加や熱処理によって極めて多様な組織変化を示し、強度及び靱延性などの機械的性質を幅広く制御することが可能である。

【0003】

例えば、特許文献１では、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、非調質鋼部材及びその製造方法が記載されている。

【0004】

一方で、実部品の設計において重要となる剛性は、原子間の結合力に直接関与した物質固有の値であるため、剛性を大幅に向上させることは困難であると考えられてきた。

【0005】

このような状況下において、鉄又は鉄合金において、高剛性化を意図して高ヤング率であるホウ化物などの化合物粒子を分散させた研究開発が行われており、例えば、特許文献２では、鉄又は鉄合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散し粒径が１～１００μｍである、４Ａ族元素を主体とするホウ化物の少なくとも一種以上とからなり、該４Ａ族元素を主体とする硼化物は該マトリックス中で熱力学的に安定であることを特徴とする高剛性鉄基合金が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－２０３１４８号公報

【文献】特開２００２－２８５３０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、例えば特許文献２などに記載される高剛性鉄基合金では、鉄又は鉄合金からなるマトリックスの結晶粒が大きく、さらに当該マトリックス中に分散されている高硬度のホウ化物もまた粗大であり、切削加工などの機械加工時に、切削工具を破壊してしまう可能性があった。

【0008】

したがって、本発明は、容易に機械加工することができる高剛性鉄基合金、及びその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

高剛性鉄基合金中のマトリックスの結晶粒及びホウ化物が粗大化してしまう要因としては、高剛性鉄基合金製造時に加えられる熱が過剰であること、高剛性鉄基合金のマトリックスを構成する鉄又は鉄合金の粉末と、粒径の小さなホウ化物、例えば１μｍ以下の平均粒径を有するホウ化物の粉末とを混合して均質な混合物を得ることが困難であること、さらに、粉末混合物を融解（溶融）する際に、もともと微細であったホウ化物同士が、凝集・結合し、大きくなることなどが挙げられる。

【0010】

本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、鉄又は鉄合金からなるマトリックス中、ｉｎ－ｓｉｔｕ反応でホウ化物を生成し、生成したホウ化物が過度に結晶成長しないように熱履歴を制御すること、あるいは鉄、ホウ素、及びチタンを含む材料に電子ビーム（ＥＢ）を照射することによって、結晶粒の小さなマトリックス中に粒径が小さいホウ化物が形成された高剛性鉄基合金を製造することができることを見出した。

【0011】

そこで、本発明者らは、さらに検討した結果、鉄、ホウ素、及びチタンを含む材料、例えば、鉄チタン金属間化合物（ＦｅＴｉ）の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物（ＦｅＢ）の粉末とを混合して得られた混合粉末、又は鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体を、電子ビームにより処理することにより、結晶粒の小さな鉄又は鉄合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散している微細なホウ化チタンとを含む高剛性鉄基合金を製造することができることを見出し、本発明を完成した。

【0012】

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）鉄又は鉄合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散しているホウ化チタンとを含む高剛性鉄基合金であって、
マトリックスのＩＰＦ画像による結晶粒の円相当平均粒径が、１μｍ以下である、高剛性鉄基合金。
（２）ホウ化チタンのＳＥＭ画像による円相当平均粒径が、０．０１μｍ～０．２μｍである、（１）に記載の高剛性鉄基合金。
（３）（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程、並びに
（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る工程
を含む、高剛性鉄基合金を製造する方法。
（４）（ｉ）の工程において、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料が、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末である、（３）に記載の高剛性鉄基合金を製造する方法。
（５）（ｉｉ）の工程において、電子ビームによる処理が電子ビーム照射を伴う積層造形法である、（４）に記載の高剛性鉄基合金を製造する方法。
（６）（ｉｉ）の工程において、電子ビーム照射を伴う積層造形法がＰＢＦ方式である、（５）に記載の高剛性鉄基合金を製造する方法。
（７）（ｉ）の工程において、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料が、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体である、（３）に記載の高剛性鉄基合金を製造する方法。

【発明の効果】

【0013】

本発明により、容易に機械加工することができる高剛性鉄基合金、及びその製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の（ｉｉ）の工程において、鉄チタン金属間化合物の粉末（ＦｅＴｉ）と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末（ＦｅＢ）とを混合して得られる混合粉末に電子ビームを照射することによりホウ化チタン（ＴｉＢ_２）が形成される様子を示す模式図である。

【図2】ＰＢＦ方式による積層造形法を実施するための装置の一例を示す模式図である。

【図3】ＤＥＤ方式による積層造形法を実施するための装置の一例を示す模式図である。

【図4】実施例１において得られた試験片の模式図である。

【図5】実施例１のＡ）ＩＰＦ画像及びＢ）ＳＥＭ画像である。

【図6】実施例２のＩＰＦ画像である。

【図7】実施例２における電子ビームによる照射部位の組織の変化を模式的に示した図である。

【図8】鋳造体１及び２における電子ビーム照射出力と照射された鋳造体のビッカース硬さとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明の高剛性鉄基合金、及びその製造方法は、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者がおこない得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。

【0016】

本発明は、鉄又は鉄合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散しているホウ化チタンとを含む高剛性鉄基合金であって、マトリックスの結晶粒径が特定の範囲である高剛性鉄基合金に関する。

【0017】

ここで、本発明の高剛性鉄基合金は、鉄又は鉄合金からなるマトリックス中に微細なホウ化チタンが均一に分散している構造を有している。

【0018】

本発明の高剛性鉄基合金のマトリックスを構成する鉄合金としては、フェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系など、広範囲なものが使用可能であり、熱力学的安定性の観点から、炭素含有量が０．１重量％以下のものが好ましい。

【0019】

本発明の高剛性鉄基合金において、鉄又は鉄合金からなるマトリックスのＩＰＦ画像による結晶粒の円相当平均粒径は、１μｍ以下、好ましくは０．１μｍ～０．５μｍである。

【0020】

鉄又は鉄合金からなるマトリックスのＩＰＦ画像による結晶粒の円相当平均粒径の測定方法は、まず、測定の対象となる高剛性鉄基合金のＥＢＳＤ法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ）（電子線後方散乱回折）-ＩＰＦ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｏｌｅ Ｆｉｇｕｒｅ）画像（逆極点図）を３画像撮影し、次に、各画像において、ランダムに３０個の結晶粒を選択し、続いて、選択した各結晶粒について面積を算出し、算出した面積から円相当径を算出し、最後に、算出した円相当径から加算平均値をとることで実施することができる。

【0021】

鉄又は鉄合金からなるマトリックスの結晶粒の平均粒径が前記範囲であることで、高剛性鉄基合金の加工時において、高硬度のホウ化チタンの切断における切削工具にかかる応力が分散され、切削工具の破壊が低減され、高剛性を維持したまま被削性が向上する。

【0022】

本発明の高剛性鉄基合金の鉄又は鉄合金からなるマトリックス中に均一に分散しているホウ化チタンは、化学式ＴｉＢ_２で示される二ホウ化物である。

【0023】

本発明の高剛性鉄基合金に含まれるホウ化チタンは、規則的な結晶構造を有し、構成原子が強固に結合した化合物であるため、その結合力が直接反映されるヤング率は、極めて高いものである。また、ホウ化チタンは、鉄合金中において、熱力学的に安定であるため、異種原子の侵入・置換、あるいは他の複合化合物の形成など、ホウ化チタンと鉄又は鉄合金からなるマトリックスとの反応に起因する結晶学的な変化を起こすことがない。この結果、ホウ化チタンは、鉄合金中でも強固な結合力を維持し、高ヤング率のまま変化せず、鉄基合金の高剛性化に寄与する強化粒子として、その優れた特性を十分に発揮することができる。したがって、本発明の鉄基合金は、極めて高いヤング率を有することができる。

【0024】

ホウ化チタンの平均粒径は、ＳＥＭ画像による円相当平均粒径として、通常０．０１μｍ～１μｍ、好ましくは０．０１μｍ～０．２μｍであり、より好ましくは０．０１μｍ～０．１μｍである。

【0025】

ホウ化チタンのＳＥＭ画像による円相当平均粒径の測定方法は、まず、測定の対象となる高剛性鉄基合金のＢＳＥ-ＳＥＭ画像（反射電子像）を３画像撮影し、次に、各画像において、ランダムに３００個のホウ化チタンを選択し、続いて、選択した各ホウ化チタンについて面積を算出し、算出した面積から円相当径を算出し、最後に、算出した円相当径から加算平均値をとることで実施することができる。

【0026】

ホウ化チタンの平均粒径が前記範囲であることで、高剛性鉄基合金の加工時において、高硬度のホウ化チタンの切断における切削工具にかかる応力が分散され、切削工具の破壊が低減され、高剛性を維持したまま被削性が向上する。

【0027】

ホウ化チタンの粒度は、揃っていることが好ましい。ホウ化チタンの粒度は、限定されないが、例えば、ホウ化チタンの粒子が正規分布に従うとき、ホウ化チタンの粒子数の６８％の粒子が、通常平均粒径±０．１μｍ、好ましくは平均粒径±０．０５μｍの範囲内にある。

【0028】

ホウ化チタンの粒度が揃うことで、高剛性鉄基合金の加工時において、高硬度のホウ化チタンの切断における切削工具にかかる応力が分散され、切削工具の破壊が低減され、高剛性を維持したまま被削性が向上する。

【0029】

ホウ化チタンの含有量は、高剛性鉄基合金の全体積に対して、通常３体積％～４０体積％、好ましくは７体積％～３５体積％である。

【0030】

ホウ化チタンの含有量が前記範囲であることにより、ホウ化チタンが、ホウ化物同士の凝集、合体の形成を生じることなく、高剛性鉄基合金において、十分な機械特性、特に高剛性を発揮することができる。

【0031】

したがって、本発明の高剛性鉄基合金は、ホウ化チタンを有することによる十分な機械特性、特に高剛性を示しつつ、さらに、該ホウ化チタンが微細であること及び鉄又は鉄合金からなるマトリックスの結晶粒が小さいことにより、切削工程において、切削工具を破壊することなく、容易に切削することができる。

【0032】

本発明の高剛性鉄基合金は、ホウ化チタン以外にも、最終的に得られる高剛性鉄基合金中に求められる成分に応じて、一種以上の他の元素、例えばニッケル、コバルト、クロム、マグネシウム、モリブデン、炭素、マンガン、及びそれらの化合物、例えばホウ化物などを含んでいてもよい。

【0033】

さらに、本発明は、前記で説明した本発明の高剛性鉄基合金の製造方法にも関する。すなわち、本発明は、（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程、並びに（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る工程を含む、高剛性鉄基合金を製造する方法に関する。

【0034】

以下に（ｉ）～（ｉｉ）の各工程について説明する。

【0035】

（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程
本発明の（ｉ）の工程では、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する。

【0036】

鉄、ホウ素及びチタンを含む材料としては、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末が挙げられる。

【0037】

鉄チタン金属間化合物の粉末は、鉄とチタンを含む合金（ＦｅＴｉ）の粉砕粉末である。

【0038】

鉄チタン金属間化合物の粉末の平均粒径は、限定されないが、例えば、レーザー回折・散乱法により測定された体積基準の粒度分布におけるＤ５０として、通常２５μｍ～２００μｍ、好ましくは４５μｍ～１４０μｍである。

【0039】

鉄チタン金属間化合物の粉末の平均粒径が前記範囲になることで、ホウ化鉄金属間化合物の粉末との混合を容易に、均一に行うことができる。

【0040】

鉄チタン金属間化合物の組成は、製造する高剛性鉄基合金に含まれるホウ化チタンの量に依存して変更可能であるが、鉄とチタンとの重量比（Ｆｅ：Ｔｉ）が、通常８０：２０～２５：７５、好ましくは７０：３０～５０：５０になるように調整される。

【0041】

鉄チタン金属間化合物の組成が前記範囲になることで、安定した鉄チタン金属間化合物を得ることができ、ホウ化鉄金属間化合物との反応により、最終的に得られる高剛性鉄基合金において、前記で説明した量のホウ化チタンを確保することができる。

【0042】

ホウ化鉄金属間化合物の粉末は、鉄とホウ素を含む合金（ＦｅＢ）の粉砕粉末である。

【0043】

ホウ化鉄金属間化合物の粉末の平均粒径は、限定されないが、例えば、レーザー回折・散乱法により測定された体積基準の粒度分布におけるＤ５０として、通常２５μｍ～２００μｍ、好ましくは４５μｍ～１４０μｍである。

【0044】

ホウ化鉄金属間化合物の粉末の平均粒径が前記範囲になることで、鉄チタン金属間化合物の粉末との混合を容易に、均一に行うことができる。

【0045】

ホウ化鉄金属間化合物の組成は、製造する高剛性鉄基合金に含まれるホウ化チタンの量に依存して変更可能であるが、鉄とホウ素との重量比（Ｆｅ：Ｂ）が、通常９５：５～７０：３０、好ましくは８５：１５～７５：２５になるように調整される。

【0046】

ホウ化鉄金属間化合物の組成が前記範囲になることで、安定したホウ化鉄金属間化合物を得ることができ、鉄チタン金属間化合物との反応により、最終的に得られる高剛性鉄基合金において、前記で説明した量のホウ化チタンを確保することができる。

【0047】

なお、鉄チタン金属間化合物の粉末及びホウ化鉄金属間化合物の粉末は、最終的に得られる高剛性鉄基合金中に求められる成分に応じて、一種以上の他の元素、例えばニッケル、コバルト、クロム、マグネシウム、モリブデン、炭素、マンガンなどを含んでいてもよい。

【0048】

鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末との混合比は、各材料の組成、製造する高剛性鉄基合金に含まれるホウ化チタンの量に依存して変更可能である。例えば、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末との重量比（ＦｅＴｉ：ＦｅＢ）は、通常７５：２５～２５：７５、好ましくは６０：４０～４０：６０である。あるいは、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末との混合比は、チタンとホウ素との重量比（Ｔｉ：Ｂ）が、通常１：１～１０：１、好ましくは１．５：１～２．５：1になるように調整される。

【0049】

鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末との混合比が前記範囲になることで、鉄又は鉄合金からなるマトリックス中において、鉄チタン金属間化合物とホウ化鉄金属間化合物とが十分に反応し、最終的に得られる高剛性鉄基合金において、前記で説明した量のホウ化チタンを確保することができる。

【0050】

なお、（ｉ）の工程では、最終的に得られる高剛性鉄基合金中に求められる成分に応じて、一種以上の他の元素、例えばニッケル、コバルト、クロム、マグネシウム、モリブデン、炭素、マンガンなどを含む粉末を混合させてもよい。

【0051】

各粉末、すなわち、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末と場合により一種以上の他の元素を含む粉末との混合順序、混合方法は、限定されず、当技術分野において公知の混合手段を使用して混合することができる。例えば、混合粉末が一種以上の他の元素を含む粉末を含む場合、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合した後に一種以上の他の元素を含む粉末を混合してもよいし、鉄チタン金属間化合物の粉末と一種以上の他の元素を含む粉末とを混合した後にホウ化鉄金属間化合物を混合してもよいし、ホウ化鉄金属間化合物の粉末と一種以上の他の元素を含む粉末とを混合した後に鉄チタン金属間化合物を混合してもよいし、全ての粉末を同時に混合してもよい。各粉末の混合方法としては、例えば、Ｖ型混合機（Ｖ型混粉器）、ボールミル、振動ミルなどが挙げられる。なお、各粉末は、湿式混合により混合してもよい。

【0052】

本発明の（ｉ）の工程により、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末と、場合により一種以上の他の元素を含む粉末とが均一に分散している混合粉末を得ることができる。

【0053】

さらに、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料としては、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体が挙げられる。

【0054】

例えば、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体は、前記で説明した鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末と、場合により一種以上の他の元素を含む粉末とを混合して得られる混合粉末を、各粉末の溶融温度以上の温度に加熱し、その後冷却することにより得ることができる。

【0055】

例えば、鉄及びホウ化チタンを含む焼結体は、前記で説明した鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末と、場合により一種以上の他の元素を含む粉末とを混合して得られる混合粉末を、各粉末の溶融温度未満の温度で焼成（焼結）し、その後冷却することにより得ることができる。

【0056】

例えば、鉄及びホウ化チタンを含む積層体は、前記で説明した鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末と、場合により一種以上の他の元素を含む粉末とを混合して得られる混合粉末を、レーザー照射を伴う積層造形法により処理することにより得ることができる。

【0057】

ここで、レーザー照射を伴う積層造形法とは、材料となる混合粉末に、レーザーを照射して、特定の部位のみを溶解・固化し、これを繰り返して合金を型なしで成形する方法である。なお、レーザーの照射は、３Ｄデータから変換されたスライスデータに基づいて実施してもよい。

【0058】

レーザー照射を伴う積層造形法では、混合粉末の急速加熱、対流撹拌及び急速冷却が可能である。

【0059】

なお、レーザー照射を伴う積層造形法は、下記で説明する電子ビーム照射を伴う積層造形法において、電子ビームをレーザーに置き換え、さらに、真空雰囲気下の環境をアルゴン置換した環境下に変更することで実施することができる。

【0060】

（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る工程
（ｉｉ）の工程では、（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る。

【0061】

（ｉ）の工程で準備した材料が、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末である場合、（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビーム照射を伴う積層造形法により処理して高剛性鉄基合金を得る。

【0062】

本発明の（ｉｉ）の工程において、電子ビーム照射を伴う積層造形法とは、材料となる混合粉末に、電子ビームを照射して、特定の部位のみを溶解・固化し、これを繰り返して合金を型なしで成形する方法である。なお、電子ビームの照射は、３Ｄデータから変換されたスライスデータに基づいて実施してもよい。

【0063】

電子ビームとは、電子を加速させビーム状にしたものである。

【0064】

電子ビーム照射を伴う積層造形法では、混合粉末の急速加熱、対流撹拌及び急速冷却が可能である。

【0065】

材料として鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末とを用いて鉄又は鉄合金からなるマトリックス中にホウ化チタンを形成させる鉄基合金の製造方法において、焼結を用いる場合、混合粉末の焼結における昇温・焼結工程中に、固相拡散によってホウ化チタンが形成され、その後成長する。粒子は、当該粒子が成長し得る環境に属する時間が長ければ長いほど成長するため、微細なホウ化チタン及び小さな結晶粒のマトリックスを得るためには、ホウ化チタンの核形成後にホウ化チタンが成長できる時間及びマトリックスの結晶粒が成長できる時間、すなわち材料の凝固までの時間を短くすることが好ましい。したがって、本発明において、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末とを用いて鉄又は鉄合金からなるマトリックス中にホウ化チタンを形成するために電子ビーム照射を伴う積層造形法を使用することにより、粉末溶融後の冷却速度を速くすることができる、つまりホウ化チタンの核形成後の粒子（結晶）成長時間及びマトリックスの結晶粒成長時間を短くすることができる。さらに、ホウ化チタンの粒子は、マトリックスの結晶粒のピン止め（ピンディング）効果を有し、マトリックスの微細化を引き起こす。したがって、材料の凝固までの時間短縮によるホウ化チタン及びマトリックスの結晶粒微細化並びに微細ホウ化チタンのピン止め効果によるマトリックスの結晶粒微細化の相乗効果の結果、高剛性及び高強度を両立させ、さらには強度に対する伸びもまた改善させた、結晶粒の小さなマトリックス中に粒径が小さいホウ化物が形成された高剛性鉄基合金を形成することができる。

【0066】

図１に、本発明の（ｉｉ）の工程において、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末に電子ビームを照射することによりホウ化チタン（ＴｉＢ_２）が形成される様子を模式的に示す。

【0067】

図１は、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られた混合粉末に電子ビームを照射すると、混合粉末が溶融し、鉄又は鉄合金からなるマトリックス中にＴｉＢ_２の核が形成され、その後、ＴｉＢ_２の成長温度以上では、ＴｉＢ_２が成長し、ＴｉＢ_２の成長温度未満になることで、ＴｉＢ_２の成長が止まり、組織が決定する様子を示している。電子ビームによる処理では、鉄チタン金属間化合物の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末は、粉末状態や溶融状態に関わらず、電子ビームのエネルギーをロスすることなく吸収することができるため、エネルギーの吸収過多を抑制し、したがって、ＴｉＢ_２の過剰な成長を抑制することができる。

【0068】

電子ビーム照射を伴う積層造形法は、例えば、粉末床溶融結合方式（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ：ＰＢＦ）を含む。

【0069】

ＰＢＦは、混合粉末を敷き詰め、造形する部分に電子ビームを照射し、溶融・凝固させ積層させて合金を成型する方法である。

【0070】

ＰＢＦでは、電子ビームが照射されることにより溶融された合金前駆体は、急速に、通常１０，０００Ｋ／秒以上の速度で冷却され、合金が製造され得る。

【0071】

図２に、ＰＢＦ方式による積層造形法を実施するための装置の一例の模式図を示す。図２では、真空雰囲気下にするためのカバー７の中で、まず、原料容器に装填された混合粉末１が押し上げられ、押し上げられた部分の混合粉末１がブレード２により敷き詰められる。次に、ブレード２により敷き詰められた混合粉末１に、電子ビーム発生機３により電子ビーム４が照射される。混合粉末１に電子ビーム４が照射されると、混合粉末１中の粉末同士が溶融結合してベースプレート６上に鉄基合金５が形成される。これらの工程がベースプレート６を下げながら繰り返し実施（積層造形）されることにより、鉄基合金５が成型される。

【0072】

本発明の（ｉｉ）の工程により、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末とがｉｎ－ｓｉｔｕ反応により微細なホウ化チタンを結晶粒の小さな鉄又は鉄合金からなるマトリックス中に均一に分散した状態で生成し、その結果、被削性に優れた高剛性鉄基合金を得ることができる。

【0073】

（ｉ）の工程で準備した材料が、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体である場合、（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して高剛性鉄基合金を得る。

【0074】

電子ビームによる処理では、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体は、粉末状態や溶融状態に関わらず、電子ビームのエネルギーをロスすることなく吸収し、結晶粒の小さなマトリックスを形成するとともに、粗大なホウ化チタンを分解・拡散することにより、微細なホウ化チタンを形成することができる。

【0075】

電子ビームによる処理は、電子ビームを材料における高剛性及び高強度が求められる目的箇所に照射する以外にも、例えば、電子ビーム照射を伴う積層造形法、例えば、指向性エネルギー堆積方式（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＤＥＤ）を含む。

【0076】

ＤＥＤは、電子ビームを鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体により形成されたワイヤー状の材料に照射し、溶融・積層して造形する方法であり、肉盛溶接とも呼ばれる。

【0077】

ＤＥＤでは、電子ビームが照射されることにより溶融された合金前駆体は、急速に、通常１０，０００Ｋ／秒程度の速度で冷却され、合金が製造され得る。

【0078】

図３に、ＤＥＤ方式による積層造形法を実施するための装置の一例の模式図を示す。図３では、ワイヤー状の材料８が下地１０上に配置され、電子ビーム発生機３により発生させた電子ビーム４がワイヤー状の材料８に照射される。ワイヤー状の材料８に電子ビーム４が照射されると、ワイヤー状の材料８同士が溶融結合し、下地１０上に鉄基合金５が形成される。これらの工程が造形プラットフォーム９を下げながら繰り返し実施（積層造形）されることにより、鉄基合金５が成型される。

【0079】

（ｉ）の工程で準備した材料が、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体及び／又は焼結体及び／又は積層体であることによって、当該材料の目的箇所のみに電子ビームを照射することができ、つまり、鉄基合金における目的箇所、例えば応力集中部位のみにおいて、十分な機械特性、特に高剛性を示しつつ、さらに、該ホウ化チタンが微細であること及び鉄又は鉄合金からなるマトリックスの結晶粒が小さいことによる、切削工程において、切削工具を破壊することなく、容易に切削することができる特性を持たせることができる。したがって、材料全体に電子ビーム照射するよりも、コストを低減でき、量産性が向上する。なお、電子ビーム照射では、電子ビーム照射部分の中心部分と輪郭部分とで強度が異なり、電子ビーム照射部分の中心部分の方が輪郭部分と比較して強度が高くなるため、電子ビームが照射された部分と照射されていない部分の境目部分で歪が発生しない。

【実施例】

【0080】

以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。

【0081】

１．サンプル調製
実施例１
以下の（ｉ）及び（ｉｉ）の工程により、鉄基合金を製造した。

【0082】

（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程
（ｉ）の工程において、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料として、鉄チタン金属間化合物（ＦｅＴｉ）の粉末と、ホウ化鉄金属間化合物（ＦｅＢ）の粉末とを混合して得られる混合粉末を使用した。

【0083】

混合粉末は、鉄チタン金属間化合物の粉末としてのＦｅ：５７重量％及びＴｉ：４３重量％の粉砕粉末（レーザー回折・散乱法による粒径（Ｄ５０）：４５μｍ～１４０μｍ）と、ホウ化鉄金属間化合物の粉末としてのＦｅ：７８重量％及びＢ：２２重量％の粉砕粉末（レーザー回折・散乱法による粒径（Ｄ５０）：４５μｍ～１４０μｍ）とを、ＦｅＴｉとＦｅＢとの重量比が１：１になるように調整し、Ｖ型混粉器で３０分混粉することにより得た。

【0084】

（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビーム照射を伴う積層造形法（ＰＢＦ方式）により処理して鉄基合金を得る工程
（ｉｉ）の工程において、（ｉ）の工程で準備した混合粉末を、図２に記載の装置を用いて、真空雰囲気下、下記条件で処理して、図４に模式的に示す、直径が２０ｍｍであり、高さが３ｍｍである円板状の鉄基合金（Ｆｅ／３０ｖｏｌ％ＴｉＢ_２）を得た。
ＰＢＦ条件
電子ビーム出力：３００Ｗ
スキャン速度：１０００ｍｍ／秒
ビーム径：０．２ｍｍ
積層厚さ：０．０９ｍｍ
冷却速度：１００００Ｋ／秒以上
ここで、積層厚さとは、１層あたりの厚さである。

【0085】

実施例２
以下の（ｉ）及び（ｉｉ）の工程により、鉄基合金を製造した。

【0086】

（ｉ）鉄、ホウ素及びチタンを含む材料を準備する工程
（ｉ）の工程において、鉄、ホウ素及びチタンを含む材料として、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体（ｐｕｒｅ Ｆｅ，ｐｕｒｅ Ｃｒ，ｐｕｒｅ Ｔｉ，Ｆｅ－Ｂの粉末を３０体積％ＴｉＢ_２／Ｆｅ－１７質量％Ｃｒになるように混合して高周波溶解した鋳造体、Ｆｅ－１７ｍａｓｓ％Ｃｒ／３０ｖｏｌ％ＴｉＢ_２）を準備した。

【0087】

（ｉｉ）（ｉ）の工程で準備した材料を、電子ビームにより処理して鉄基合金を得る工程
（ｉｉ）の工程において、（ｉ）の工程で準備した鋳造体に、真空雰囲気下、下記条件で、電子ビームを照射して鉄基合金を得た。
電子ビーム照射条件
電子ビーム出力：１８００Ｗ
スキャン速度：５００ｍｍ／秒
ビーム径：０．３ｍｍ
積層厚さ：０．０７ｍｍ
冷却速度：１００００Ｋ／秒以上

【0088】

２．ＥＢＳＤ法-ＩＰＦ画像及びＢＳＥ－ＳＥＭ画像評価
実施例１において得られた鉄基合金のＥＢＳＤ法-ＩＰＦ画像及びＢＳＥ－ＳＥＭ画像を撮影し、実施例２において得られた鉄基合金のＥＢＳＤ法-ＩＰＦ画像を撮影した。図５に実施例１の結果［Ａ）ＩＰＦ画像、Ｂ）ＳＥＭ画像（黒色はＴｉＢ_２である）］を示し、図６に実施例２の結果を示す。図６では、電子ビーム照射前の材料を鋳造まま材と示し、電子ビームを照射した部分をＥＢ照射部と示す。

【0089】

図５より、実施例１では、鉄チタン金属間化合物の粉末とホウ化鉄金属間化合物の粉末とを混合して得られる混合粉末に電子ビームを照射することにより、円相当平均粒径が１μｍ以下であるＦｅ系マトリックスの結晶粒の外周に０．２μｍ以下の微細なホウ化チタンが存在している高剛性鉄基合金を製造することができることがわかった。図６より、実施例２では、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体に電子ビームを照射することにより、結晶粒の小さなＦｅ系マトリックス中に粒径が小さいホウ化チタンが形成された高剛性鉄基合金を製造することができることがわかった。

【0090】

さらに、実施例２では、鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体のある一部分に電子ビームを照射することにより、電子ビームを照射した部分のみを、結晶粒の小さなＦｅ系マトリックス中に粒径が小さいホウ化チタンが形成された高剛性鉄基合金とすることができることがわかった。図７に、実施例２の模式図を示す。

【0091】

３．被削性評価
実施例１及び２において得られた鉄基合金を、汎用砥石切断基（湿式）により切削した。実施例１及び２の鉄基合金は、抵抗が小さく問題なく切削することができた。

【0092】

４．ビッカース硬さ評価
２種類の鉄及びホウ化チタンを含む鋳造体（鋳造体１：ｐｕｒｅ Ｆｅ，ｐｕｒｅ Ｃｒ，ｐｕｒｅ Ｔｉ，Ｆｅ－Ｂの粉末を１５体積％ＴｉＢ_２／Ｆｅ－１７質量％Ｃｒになるように混合して高周波溶解した鋳造体（Ｆｅ－１７ｍａｓｓ％Ｃｒ／１５ｖｏｌ％ＴｉＢ_２）、鋳造体２：ｐｕｒｅ Ｆｅ，ｐｕｒｅ Ｃｒ，ｐｕｒｅ Ｔｉ，Ｆｅ－Ｂの粉末を３０体積％ＴｉＢ_２／Ｆｅ－１７質量％Ｃｒになるように混合して高周波溶解した鋳造体（Ｆｅ－１７ｍａｓｓ％Ｃｒ／３０ｖｏｌ％ＴｉＢ_２））に電子ビームの出力を変更して得られた鉄基合金についてビッカース硬さを測定した。

【0093】

図８に結果を示す。図８より、電子ビームを照射することにより照射前と比較してビッカース硬さが２００％～３００％増大すること、鋳造体２の方が鋳造体１と比較してビッカース硬さ増大率が大きいこと（これは、電子ビーム照射により鉄基合金の組織が均一化されたことによって、ＴｉＢ_２含有量の増加に伴う強度上昇が顕著化したためであると考えられる）、電子ビームの出力が大きくなるにつれてビッカース硬さが低下することがわかった。

【符号の説明】

【0094】

１．混合粉末、２．ブレード、３．電子ビーム発生機、４．電子ビーム、５．鉄基合金、６．ベースプレート、７．カバー、８．ワイヤー状の材料、９．造形プラットフォーム、１０．下地

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】