ウスタイトバルク材の製造方法
【課題】ウスタイトバルク材を効率よく製造できる方法を提供する。
【解決手段】Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程を含むことを特徴とするウスタイトバルク材の製造方法。
【解決手段】Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程を含むことを特徴とするウスタイトバルク材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウスタイト相の様々な物性を把握するための測定用試料や鉄鋼材料として用いることができるウスタイトバルク材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品の製造プロセスでは、高温で形成されるスケール（表面酸化皮膜）が原因となって、製品品質や製品性能、製品歩留まりの低下等の問題が起こる。例えば、加熱炉で生じた一次スケールが取り除かれずに残ったまま圧延されると、スケールの破壊や押し込みによりスケール疵が発生する。また、二次スケールに起因して、メカニカルデスケーリング性が不良となったり、メッキ性が不良となったりする。このように、スケールの形成に起因する様々な表面性状に関わる課題が存在する。これらの技術的課題を抜本的に解決するためには、圧延プロセスにおけるスケールの生成や破壊に関する動的挙動を十分に把握する必要がある。特に、圧延プロセスにおけるスケールの破壊・変形挙動を理解するためには、高温状態におけるスケールの物理的特性や機械的特性の把握が必要となる。
【０００３】
スケールの高温物性を正確に把握するためには、スケールを構成するＦｅＯ、Ｆｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3等の各鉄酸化物の高温物性を各々把握することが必要である。そのためには、各鉄酸化物の単体試料を作製し、高温における硬度、弾性定数（ヤング率）、熱膨張係数等の物性を、所定の方法により直接測定することが望ましい。特に、高温ビッカース硬度計による高温硬度測定、グリーブル試験による応力−歪み曲線測定に基づくヤング率の算出、ＴＭＡ（熱機械分析）による熱膨張係数の測定等を行う場合には、高純度の鉄酸化物の単体試料からなるバルク材を作製し、これを所定の形状に加工して、各物性を直接測定することが望ましい。
【０００４】
しかし、鉄酸化物の中でも特にウスタイト（ＦｅＯ）は、５７０℃以下では熱力学的に安定して存在しない相であることから、ウスタイトバルク材の作製方法はほとんど知られておらず、効率的なウスタイトバルク材の製造方法は未だ確立されていない。例えば、特許文献１には、鉄（Ｆｅ）粉とマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）粉とをメカニカルアロイングによりウスタイト（ＦｅＯ）粉とし、これを５７０℃以上の温度で焼結して、ウスタイトバルク材を得る方法が開示されている。しかし、特許文献１に開示された方法では、メカニカルアロイングに１００時間もの時間を要するため、ウスタイトバルク材を得るに当たって、製造効率が良いとは言えない。
【特許文献１】特開２００１−６０３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウスタイトバルク材を効率よく製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決することができた本発明のウスタイトバルク材の製造方法とは、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程を含むところに特徴を有する。前記構成によれば、ウスタイトバルク材を効率よく製造できる。
【０００７】
前記成型体を得る工程では、混合粉末を１．０ｔｆ／ｃｍ2〜３．０ｔｆ／ｃｍ2の圧力で成型することが好ましい。前記圧力範囲であれば、得られる成型体やウスタイト焼結体の割れやひびの発生を抑制しやすくなる。
【０００８】
本発明のウスタイトバルク材の製造方法は、混合粉末を得る工程において、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを、Ｆｅ3Ｏ4粉末１質量部に対しＦｅ粉末０．７５質量部〜０．８５質量部となる比率で混合し、ウスタイト焼結体を得る工程において、成型体を９００℃〜１１００℃の温度、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で焼結し、ウスタイトバルク材を得る工程において、ウスタイト焼結体をＡｒ雰囲気または真空雰囲気でホットプレスすることが好ましい。前記構成により、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を得やすくなる。
【０００９】
本発明のウスタイトバルク材の製造方法は、ウスタイトバルク材を得る工程において、ウスタイト焼結体を７００℃〜１０００℃の温度、４００ｋｇｆ／ｃｍ2〜８００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力でホットプレスすることが好ましい。前記条件でホットプレスすることで、高密度のウスタイトバルク材を得やすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法を用いれば、ウスタイトバルク材を効率よく製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のウスタイトバルク材の製造方法は、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程を含むところに特徴を有する。
【００１２】
まず、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程について説明する。
【００１３】
本発明で使用するＦｅ粉末やＦｅ3Ｏ4粉末は、冶金材料等として一般的に市販されているものを用いることができる。
【００１４】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末との混合比率は、Ｆｅ3Ｏ4粉末１質量部に対し、Ｆｅ粉末０．７５質量部以上、０．８５質量部以下とすることが好ましい。Ｆｅ粉末が０．７５質量部以上、０．８５質量部以下であれば、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とが過不足なく反応して、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を容易に得ることができる。すなわち、Ｆｅ粉末が０．７５質量部未満であれば、Ｆｅ成分が不足するために、ウスタイト焼結体やウスタイトバルク材中にＦｅ3Ｏ4成分が残存し、Ｆｅ粉末が０．８５質量部を超える場合は、Ｆｅ成分が過剰となるために、ウスタイト焼結体やウスタイトバルク材中にＦｅ成分が残存しやすくなる。
【００１５】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末との混合方法は特に限定されず、公知の混合方法を採用すればよい。
【００１６】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末との混合時間は、１時間以上が好ましく、２時間以上がより好ましい。また、混合時間は、１０時間以下が好ましく、８時間以下がより好ましい。混合時間が１時間以上であれば、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを十分均一に混合することができる。混合時間が１０時間を超える場合は、それより長い時間混合を行っても得られるウスタイト焼結体やウスタイトバルク材の純度等に影響を及ぼさない。従って、混合時間が１０時間以下であれば、製造時のエネルギーの消費を低く抑えられ、製造効率が向上する。
【００１７】
次に、混合粉末を成型して成型体を得る工程について説明する。本工程では、混合粉末を任意の形状の金型に入れて、圧力をかけることにより、成型体を得ることができる。
【００１８】
成型圧力は、１．０ｔｆ／ｃｍ2以上、３．０ｔｆ／ｃｍ2以下が好ましい。成型圧力が１．０ｔｆ／ｃｍ2以上であれば、混合粉末を崩壊させることなく成型することが容易となる。成型圧力が３．０ｔｆ／ｃｍ2以下であれば、成型体の残留応力を少なくでき、引き続く焼結処理により得られるウスタイト焼結体の割れやひびの発生を抑えやすくなる。
【００１９】
次に成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程について説明する。本工程では、ＦｅとＦｅ3Ｏ4とが混合した成型体を焼結することにより、成型体材料が相変化を起こし、ウスタイト（ＦｅＯ）相を有する成型体が得られる。
【００２０】
焼結温度は、９００℃以上、１１００℃以下が好ましい。焼結温度が９００℃以上であれば、成型体内での酸素の拡散、すなわちＦｅ3Ｏ4からＦｅへの酸素の移動が促進され、高純度のウスタイト焼結体が得やすくなる。焼結温度が１１００℃以下であれば、残留酸素による過度の酸化が起こりにくくなり、得られるウスタイト焼結体中のＦｅ3Ｏ4の存在量を低く抑えられる。また、焼結温度が１１００℃以下であれば、得られるウスタイト焼結体の溶融が起こりにくくなる。
【００２１】
焼結時間は、１０分以上が好ましく、３０分以上がより好ましい。また、焼結時間は、１２０分以下が好ましく、９０分以下がより好ましい。焼結時間が１０分以上であれば、成型体が十分焼結するとともに、成型体内で酸素が十分拡散し、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を得やすくなる。焼結時間が１２０分を超える場合は、それより長い時間焼結を行っても得られるウスタイト焼結体の物性等に影響を及ぼさない。従って、焼結時間が１２０分以下であれば、製造時のエネルギーの消費を低く抑えられ、製造効率が向上する。なお、焼結時間とは、上記焼結温度に保持された時間を意味する。
【００２２】
焼結は、Ａｒ（アルゴン）雰囲気または真空雰囲気で行うことが好ましい。なお、真空雰囲気としては、圧力が１．０×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）以下の雰囲気であることが好ましい。焼結は、雰囲気中の酸素を遮断した密閉系で行うことが理想であり、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で行うことにより、できる限り雰囲気中の酸素を除去することが好ましい。従って、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で焼結を行うことにより、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を容易に得ることができる。なお、ウスタイト焼結体やウスタイトバルク材の純度を多少下げてもよい場合は、Ｎ2（窒素）雰囲気で焼結を行ってもよい。
【００２３】
次に、ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程について説明する。ウスタイト焼結体は、ポーラスであり、密度が低い。本工程では、ウスタイト焼結体を任意の金型に入れてホットプレスすることにより、一般のバルク材と同程度の高密度を有するウスタイトバルク材を得ることができる。なお、ウスタイト焼結体を任意の金型に入れる際には、ウスタイト焼結体を金型形状に応じて前もって機械加工しておくことが好ましい。
【００２４】
ホットプレス温度は、７００℃以上、１０００℃以下が好ましい。ホットプレス温度が７００℃以上であれば、高密度のウスタイトバルク材が得やすくなる。ホットプレス温度が１０００℃以下であれば、ウスタイトバルク材や金型の割れを防止しやすくなる。
【００２５】
ホットプレス時間は、３０分以上、１２０分以下が好ましい。ホットプレス時間が３０分以上であれば、高密度のウスタイトバルク材を容易に得ることができる。ホットプレス時間が１２０分を超える場合は、それより長い時間ホットプレスを行っても得られるウスタイトバルク材の密度を上げることができない。従って、ホットプレス時間が１２０分以下であれば、製造効率が向上する。
【００２６】
ホットプレス圧力は、４００ｋｇｆ／ｃｍ2以上、８００ｋｇｆ／ｃｍ2以下が好ましい。ホットプレス圧力が４００ｋｇｆ／ｃｍ2以上であれば、高密度のウスタイトバルク材を容易に得ることができる。ホットプレス圧力が８００ｋｇｆ／ｃｍ2以下であれば、ウスタイトバルク材や金型の割れを防止しやすくなる。
【００２７】
ホットプレスは、Ａｒ（アルゴン）雰囲気または真空雰囲気で行うことが好ましい。なお、真空雰囲気としては、圧力が１．０×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）以下の雰囲気であることが好ましい。できる限り酸素を除去した雰囲気でホットプレスを行うことにより、ウスタイトバルク材の酸化が抑制され、高純度のウスタイトバルク材が得やすくなる。
【００２８】
ホットプレスの金型材質は特に限定されないが、ホットプレス時の耐熱性の確保や成型体と反応しないことを考慮すると、グラファイト製金型を使用することが好ましい。
【００２９】
以上のように、本発明の製造方法によれば、従来の方法に比べて、ウスタイトバルク材をより短い製造時間で、効率よく製造できる。また、本発明の製造方法によれば、高純度で高密度のウスタイトバルク材を得ることができるため、得られたウスタイトバルク材を、ウスタイト相の様々な物性を把握するための測定用試料、例えば、従来バルク材を用いなければ測定をすることが難しかったヤング率や熱膨張係数等を測定するための試験体として用いることができる。
【実施例】
【００３０】
以下に、実施例を示すことにより本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
［実験１］成型圧力の影響
Ｖ型混合機に、Ｆｅ粉末（（株）神戸製鋼所製、アトメル３００ＮＨ）とＦｅ3Ｏ4粉末（和光純薬工業（株）製、四三酸化鉄、純度９５％以上）とを、Ｆｅ粉末：Ｆｅ3Ｏ4粉末の質量比が０．８：１となるように仕込み、３時間混合した。得られた混合粉末を、円筒金型（φ１０ｍｍ×１０ｍｍ）と角状金型（５５ｍｍ×５５ｍｍ×８ｍｍt）に各々仕込み、圧力をかけて成型した。成型の際の圧力は、０．５ｔｆ／ｃｍ2、１．０ｔｆ／ｃｍ2、２．０ｔｆ／ｃｍ2、３．０ｔｆ／ｃｍ2、または４．０ｔｆ／ｃｍ2とした。金型から取り出した成型体を、Ａｒ雰囲気中で、１１００℃で１時間加熱することで焼結し、ウスタイト焼結体を得た。焼結に当たっては、１１００℃に昇温する際の昇温速度は１００℃／ｈで行い、１１００℃で１時間焼結した後の冷却は焼結炉内で放冷することにより行った。
【００３２】
成型時の圧力が０．５ｔｆ／ｃｍ2の条件では、円筒金型と角状金型いずれの金型を用いて成型した場合も、金型から取り出した時点で成型体が崩れた。一方、成型時の圧力が１．０ｔｆ／ｃｍ2以上の条件では、いずれの金型を用いて成型した場合も、金型から取り出しても成型体は崩壊せず、安定な成型体が形成されたことを確認した。
【００３３】
ウスタイト焼結体を目視にて観察した結果、成型時の圧力が４．０ｔｆ／ｃｍ2の条件では、ウスタイト焼結体にクラックが発生しており、一部ウスタイト焼結体の崩壊も確認された。成型時の圧力が１．０ｔｆ／ｃｍ2〜３．０ｔｆ／ｃｍ2の条件では、ウスタイト焼結体にはクラックの発生は認められず、良好なウスタイト焼結体が作製できたことを目視にて確認した。
【００３４】
［実験２］焼結の温度、時間、雰囲気の影響
Ｖ型混合機に、前記Ｆｅ粉末と前記Ｆｅ3Ｏ4粉末とを、表１に示す「配合比率Ｆｅ：Ｆｅ3Ｏ4」となるように仕込み、３時間混合した。なお、表１において、「配合比率Ｆｅ：Ｆｅ3Ｏ4」は、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末の質量比を表す。得られた混合粉末を、円筒金型（φ１０ｍｍ×１０ｍｍ）に仕込み、１．５ｔｆ／ｃｍ2の圧力をかけて成型した。金型から取り出した成型体を、表１に示す温度、時間、雰囲気の各条件で加熱することで焼結し、ウスタイト焼結体を得た。なお、表１中、焼結の雰囲気を「真空」とした条件は、圧力１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）以下で焼結を行った。焼結に当たっては、所定の焼結温度に昇温する際の昇温速度は１００℃／ｈで行い、所定の温度で１時間焼結した後の冷却は焼結炉内で放冷することにより行った。
【００３５】
【表１】
【００３６】
ウスタイト焼結体をＸＲＤ（Ｘ線回折）測定し、ウスタイト焼結体に含まれる結晶構造（相）を調べた。ウスタイト焼結体の作製条件に応じて、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ、α−Ｆｅの各相が検出された。
【００３７】
一例として、表１に示したＮｏ．２のウスタイト焼結体のＸＲＤチャートを図１に、Ｎｏ．５のウスタイト焼結体のＸＲＤチャートを図２に示した。Ｎｏ．２のウスタイト焼結体では、ＦｅとＦｅ3Ｏ4に由来する弱いピークも認められたものの、ほぼＦｅＯのみに由来する回折ピークが確認された。Ｎｏ．５のウスタイト焼結体では、ＦｅＯに由来する回折ピークに加え、比較的強いＦｅの回折ピークも認められた。
【００３８】
ウスタイト焼結体のＸＲＤ測定で検出された前記各相について、表２に示す面指数を選択し、各相の選択した面指数に対応するピークの強度（ＸＲＤチャートにおけるピークの高さ）を計測した。相の種類と面指数に応じてピーク強度の感度は異なり、各相の面指数に対応するピークの相対感度係数を表２に示した。ウスタイト焼結体のＦｅＯ比率（ＦｅＯ含有量の相対比率）を、次式により算出した。
ＦｅＯ比率（容量％）＝（ＦｅＯのピーク強度×ＦｅＯの相対感度係数）／（Ｆｅ3Ｏ4のピーク強度×Ｆｅ3Ｏ4の相対感度係数＋Ｆｅ2Ｏ3のピーク強度×Ｆｅ2Ｏ3の相対感度係数＋ＦｅＯのピーク強度×ＦｅＯの相対感度係数＋α−Ｆｅのピーク強度×α−Ｆｅの相対感度係数）×１００
【００３９】
【表２】
【００４０】
焼結条件を様々変えて焼結を行ったときの、ウスタイト焼結体のＦｅＯ比率測定結果を表１に示した。表１中、Ｎｏ．２〜４、７〜９、１１、１２、１４〜１７、２０、２１のウスタイト焼結体は、ＦｅＯ比率が９５％以上となり、特にウスタイトを高純度で含有していた。
【００４１】
Ｎｏ．１のウスタイト焼結体は、Ｆｅの配合比率が低く、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。Ｎｏ．５のウスタイト焼結体は、Ｆｅの配合比率が高く、ウスタイト焼結体にはＦｅが残存した。
【００４２】
Ｎｏ．６のウスタイト焼結体は、焼結温度が低く、ウスタイト焼結体にはＦｅとＦｅ3Ｏ4が残存した。Ｎｏ．１０、１８、１９のウスタイト焼結体は、焼結温度が高く、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。
【００４３】
Ｎｏ．１３のウスタイト焼結体は、焼結時間が短く、ウスタイト焼結体にはＦｅとＦｅ3Ｏ4が残存した。
【００４４】
Ｎｏ．２２、２３のウスタイト焼結体は、焼結を窒素雰囲気下で行い、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。Ｎｏ．２４、２５のウスタイト焼結体は、焼結を大気素雰囲気下で行い、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。
【００４５】
以上の結果、ＦｅＯ比率が高いウスタイト焼結体を得るには、Ｆｅ：Ｆｅ3Ｏ4の配合比率が０．７５〜０．８５：１．０、焼結温度を９００℃〜１１００℃、焼結時間を１０分〜１２０分、焼結を行う雰囲気をＡｒ雰囲気または真空（≦１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ））の条件で焼結を行えばよいことが明らかになった。
【００４６】
［実験３］ホットプレスの温度、圧力の影響
Ｖ型混合機に、前記Ｆｅ粉末と前記Ｆｅ3Ｏ4粉末とを、Ｆｅ粉末：Ｆｅ3Ｏ4粉末の質量比が０．８：１となるように仕込み、３時間混合した。得られた混合粉末を、円盤金型（φ１８０ｍｍ×２０ｍｍ）に仕込み、１．５ｔｆ／ｃｍ2の圧力をかけて成型した。金型から取り出した成型体を、Ａｒ雰囲気中で、１１００℃で１時間加熱することで焼結し、ウスタイト焼結体を得た。焼結に当たっては、１１００℃に昇温する際の昇温速度は１００℃／ｈで行い、１１００℃で１時間焼結した後の冷却は焼結炉内で放冷することにより行った。ウスタイト焼結体を９０ｍｍ×９０ｍｍ×２０ｍｍの角形ブロック状に機械加工した後、内法９０ｍｍ×９０ｍｍのグラファイト製金型にセットし、温度と圧力の各条件を変化させて、真空中（≦１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ））で６０分間ホットプレスを行い、ウスタイトバルク材を得た。ホットプレスの温度条件は、７００℃、９００℃、または１０００℃とした。また、ホットプレスの圧力条件は、基本的に、０ｋｇｆ／ｃｍ2、２００ｋｇｆ／ｃｍ2、３００ｋｇｆ／ｃｍ2、４００ｋｇｆ／ｃｍ2、５００ｋｇｆ／ｃｍ2、６００ｋｇｆ／ｃｍ2、７００ｋｇｆ／ｃｍ2、または８００ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００４７】
ウスタイトバルク材の見かけ密度を、アルキメデス法により測定した。（ウスタイトバルク材の見かけ密度）÷（ウスタイトの真密度）により算出される値を、ウスタイトバルク材の焼結密度とした。なお、ウスタイトの真密度の値は５．７ｇ／ｃｍ3である。
【００４８】
温度と圧力を変えてホットプレスを行ったときの、ウスタイトバルク材の焼結密度の測定結果を図３に示した。ホットプレスの際の温度が７００℃以上、圧力が４００ｋｇｆ／ｃｍ2以上の条件では、焼結密度が９５％以上となり、当該条件でウスタイトバルク材を製造すれば、焼結体であるにも関わらず、一般のバルク材と同等の高密度材が得られることが確認できた。なお、真空以外の雰囲気でホットプレスを行った場合には、ウスタイトバルク材表面にヘマタイト（Ｆｅ2Ｏ3）の生成が認められた。特に、大気雰囲気でホットプレスを行った場合には、ヘマタイトの生成が顕著に認められた。
【００４９】
［実験４］ウスタイトバルク材の硬度測定
実験３と同様にして、ウスタイトバルク材を得た。なお、ホットプレスは、９００℃、５００ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で行った。
【００５０】
ウスタイトバルク材の硬度（ビッカース硬度）を、室温または１０００℃で測定した。硬度測定には日本光学製ＭＱ型高温顕微硬度計を使用し、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に従い測定を行った。
【００５１】
比較として、１０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍの大きさの高純度鉄（純度９９．９９％）を、１０００℃で３０分間、酸素雰囲気中で加熱することにより、表面を酸化させた試料（高純度鉄酸化試料）を作製した。高純度鉄酸化試料には、厚さ約６００μｍのスケールが生成していた。比較試料を断面加工してスケール断面を露出させ、ＦｅＯのみが層状に形成されている部分に対し、室温または１０００℃で硬度（ビッカース硬度）測定を行った。
【００５２】
測定結果を表３に示した。ウスタイトバルク材の硬度は、室温と１０００℃のいずれの条件でも、高純度鉄酸化試料に生成したスケールのＦｅＯ層の硬度にほぼ近い値となっていた。ウスタイトバルク材は、高密度で、高純度のＦｅＯを有していると認められた。
【００５３】
【表３】
【００５４】
［実験５］ウスタイトバルク材の熱膨張係数測定
実験４と同様にして得られたウスタイトバルク材を、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×２０ｍｍの大きさに機械加工して、試験体を得た。得られた試験体について、ＴＭＡ（熱機械分析）装置を用いて、室温から１０００℃までの線膨張率を測定した。一方、比較として、Ｆｅ2Ｏ3焼結体についても、同様の方法で線膨張率を測定した。
【００５５】
測定結果を図４に示した。図４中、ウスタイトバルク材の測定結果を「ＦｅＯ」と表示し、Ｆｅ2Ｏ3焼結体の測定結果を「Ｆｅ2Ｏ3」と表示した。ウスタイトバルク材とＦｅ2Ｏ3焼結体では、線膨張率の温度変化に差異があることが認められ、これらの材料の熱膨張係数は相互に異なることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の製造方法は、ウスタイト相の様々な物性を把握するための測定用試料として使用できるウスタイトバルク材を得るのに用いることができる。また、本発明の製造方法により得られたウスタイトバルク材を用いれば、鉄鋼製品の製造プロセスにおける圧延制御や温度制御等の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実験２のＮｏ．２ウスタイト焼結体のＸＲＤチャートである。
【図２】実験２のＮｏ．５ウスタイト焼結体のＸＲＤチャートである。
【図３】実験３のウスタイトバルク材の焼結密度の測定結果である。
【図４】実験５のウスタイトバルク材の熱膨張係数の測定結果である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウスタイト相の様々な物性を把握するための測定用試料や鉄鋼材料として用いることができるウスタイトバルク材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品の製造プロセスでは、高温で形成されるスケール（表面酸化皮膜）が原因となって、製品品質や製品性能、製品歩留まりの低下等の問題が起こる。例えば、加熱炉で生じた一次スケールが取り除かれずに残ったまま圧延されると、スケールの破壊や押し込みによりスケール疵が発生する。また、二次スケールに起因して、メカニカルデスケーリング性が不良となったり、メッキ性が不良となったりする。このように、スケールの形成に起因する様々な表面性状に関わる課題が存在する。これらの技術的課題を抜本的に解決するためには、圧延プロセスにおけるスケールの生成や破壊に関する動的挙動を十分に把握する必要がある。特に、圧延プロセスにおけるスケールの破壊・変形挙動を理解するためには、高温状態におけるスケールの物理的特性や機械的特性の把握が必要となる。
【０００３】
スケールの高温物性を正確に把握するためには、スケールを構成するＦｅＯ、Ｆｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3等の各鉄酸化物の高温物性を各々把握することが必要である。そのためには、各鉄酸化物の単体試料を作製し、高温における硬度、弾性定数（ヤング率）、熱膨張係数等の物性を、所定の方法により直接測定することが望ましい。特に、高温ビッカース硬度計による高温硬度測定、グリーブル試験による応力−歪み曲線測定に基づくヤング率の算出、ＴＭＡ（熱機械分析）による熱膨張係数の測定等を行う場合には、高純度の鉄酸化物の単体試料からなるバルク材を作製し、これを所定の形状に加工して、各物性を直接測定することが望ましい。
【０００４】
しかし、鉄酸化物の中でも特にウスタイト（ＦｅＯ）は、５７０℃以下では熱力学的に安定して存在しない相であることから、ウスタイトバルク材の作製方法はほとんど知られておらず、効率的なウスタイトバルク材の製造方法は未だ確立されていない。例えば、特許文献１には、鉄（Ｆｅ）粉とマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）粉とをメカニカルアロイングによりウスタイト（ＦｅＯ）粉とし、これを５７０℃以上の温度で焼結して、ウスタイトバルク材を得る方法が開示されている。しかし、特許文献１に開示された方法では、メカニカルアロイングに１００時間もの時間を要するため、ウスタイトバルク材を得るに当たって、製造効率が良いとは言えない。
【特許文献１】特開２００１−６０３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウスタイトバルク材を効率よく製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決することができた本発明のウスタイトバルク材の製造方法とは、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程を含むところに特徴を有する。前記構成によれば、ウスタイトバルク材を効率よく製造できる。
【０００７】
前記成型体を得る工程では、混合粉末を１．０ｔｆ／ｃｍ2〜３．０ｔｆ／ｃｍ2の圧力で成型することが好ましい。前記圧力範囲であれば、得られる成型体やウスタイト焼結体の割れやひびの発生を抑制しやすくなる。
【０００８】
本発明のウスタイトバルク材の製造方法は、混合粉末を得る工程において、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを、Ｆｅ3Ｏ4粉末１質量部に対しＦｅ粉末０．７５質量部〜０．８５質量部となる比率で混合し、ウスタイト焼結体を得る工程において、成型体を９００℃〜１１００℃の温度、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で焼結し、ウスタイトバルク材を得る工程において、ウスタイト焼結体をＡｒ雰囲気または真空雰囲気でホットプレスすることが好ましい。前記構成により、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を得やすくなる。
【０００９】
本発明のウスタイトバルク材の製造方法は、ウスタイトバルク材を得る工程において、ウスタイト焼結体を７００℃〜１０００℃の温度、４００ｋｇｆ／ｃｍ2〜８００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力でホットプレスすることが好ましい。前記条件でホットプレスすることで、高密度のウスタイトバルク材を得やすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法を用いれば、ウスタイトバルク材を効率よく製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のウスタイトバルク材の製造方法は、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程を含むところに特徴を有する。
【００１２】
まず、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程について説明する。
【００１３】
本発明で使用するＦｅ粉末やＦｅ3Ｏ4粉末は、冶金材料等として一般的に市販されているものを用いることができる。
【００１４】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末との混合比率は、Ｆｅ3Ｏ4粉末１質量部に対し、Ｆｅ粉末０．７５質量部以上、０．８５質量部以下とすることが好ましい。Ｆｅ粉末が０．７５質量部以上、０．８５質量部以下であれば、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とが過不足なく反応して、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を容易に得ることができる。すなわち、Ｆｅ粉末が０．７５質量部未満であれば、Ｆｅ成分が不足するために、ウスタイト焼結体やウスタイトバルク材中にＦｅ3Ｏ4成分が残存し、Ｆｅ粉末が０．８５質量部を超える場合は、Ｆｅ成分が過剰となるために、ウスタイト焼結体やウスタイトバルク材中にＦｅ成分が残存しやすくなる。
【００１５】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末との混合方法は特に限定されず、公知の混合方法を採用すればよい。
【００１６】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末との混合時間は、１時間以上が好ましく、２時間以上がより好ましい。また、混合時間は、１０時間以下が好ましく、８時間以下がより好ましい。混合時間が１時間以上であれば、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを十分均一に混合することができる。混合時間が１０時間を超える場合は、それより長い時間混合を行っても得られるウスタイト焼結体やウスタイトバルク材の純度等に影響を及ぼさない。従って、混合時間が１０時間以下であれば、製造時のエネルギーの消費を低く抑えられ、製造効率が向上する。
【００１７】
次に、混合粉末を成型して成型体を得る工程について説明する。本工程では、混合粉末を任意の形状の金型に入れて、圧力をかけることにより、成型体を得ることができる。
【００１８】
成型圧力は、１．０ｔｆ／ｃｍ2以上、３．０ｔｆ／ｃｍ2以下が好ましい。成型圧力が１．０ｔｆ／ｃｍ2以上であれば、混合粉末を崩壊させることなく成型することが容易となる。成型圧力が３．０ｔｆ／ｃｍ2以下であれば、成型体の残留応力を少なくでき、引き続く焼結処理により得られるウスタイト焼結体の割れやひびの発生を抑えやすくなる。
【００１９】
次に成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程について説明する。本工程では、ＦｅとＦｅ3Ｏ4とが混合した成型体を焼結することにより、成型体材料が相変化を起こし、ウスタイト（ＦｅＯ）相を有する成型体が得られる。
【００２０】
焼結温度は、９００℃以上、１１００℃以下が好ましい。焼結温度が９００℃以上であれば、成型体内での酸素の拡散、すなわちＦｅ3Ｏ4からＦｅへの酸素の移動が促進され、高純度のウスタイト焼結体が得やすくなる。焼結温度が１１００℃以下であれば、残留酸素による過度の酸化が起こりにくくなり、得られるウスタイト焼結体中のＦｅ3Ｏ4の存在量を低く抑えられる。また、焼結温度が１１００℃以下であれば、得られるウスタイト焼結体の溶融が起こりにくくなる。
【００２１】
焼結時間は、１０分以上が好ましく、３０分以上がより好ましい。また、焼結時間は、１２０分以下が好ましく、９０分以下がより好ましい。焼結時間が１０分以上であれば、成型体が十分焼結するとともに、成型体内で酸素が十分拡散し、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を得やすくなる。焼結時間が１２０分を超える場合は、それより長い時間焼結を行っても得られるウスタイト焼結体の物性等に影響を及ぼさない。従って、焼結時間が１２０分以下であれば、製造時のエネルギーの消費を低く抑えられ、製造効率が向上する。なお、焼結時間とは、上記焼結温度に保持された時間を意味する。
【００２２】
焼結は、Ａｒ（アルゴン）雰囲気または真空雰囲気で行うことが好ましい。なお、真空雰囲気としては、圧力が１．０×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）以下の雰囲気であることが好ましい。焼結は、雰囲気中の酸素を遮断した密閉系で行うことが理想であり、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で行うことにより、できる限り雰囲気中の酸素を除去することが好ましい。従って、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で焼結を行うことにより、高純度のウスタイト焼結体やウスタイトバルク材を容易に得ることができる。なお、ウスタイト焼結体やウスタイトバルク材の純度を多少下げてもよい場合は、Ｎ2（窒素）雰囲気で焼結を行ってもよい。
【００２３】
次に、ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程について説明する。ウスタイト焼結体は、ポーラスであり、密度が低い。本工程では、ウスタイト焼結体を任意の金型に入れてホットプレスすることにより、一般のバルク材と同程度の高密度を有するウスタイトバルク材を得ることができる。なお、ウスタイト焼結体を任意の金型に入れる際には、ウスタイト焼結体を金型形状に応じて前もって機械加工しておくことが好ましい。
【００２４】
ホットプレス温度は、７００℃以上、１０００℃以下が好ましい。ホットプレス温度が７００℃以上であれば、高密度のウスタイトバルク材が得やすくなる。ホットプレス温度が１０００℃以下であれば、ウスタイトバルク材や金型の割れを防止しやすくなる。
【００２５】
ホットプレス時間は、３０分以上、１２０分以下が好ましい。ホットプレス時間が３０分以上であれば、高密度のウスタイトバルク材を容易に得ることができる。ホットプレス時間が１２０分を超える場合は、それより長い時間ホットプレスを行っても得られるウスタイトバルク材の密度を上げることができない。従って、ホットプレス時間が１２０分以下であれば、製造効率が向上する。
【００２６】
ホットプレス圧力は、４００ｋｇｆ／ｃｍ2以上、８００ｋｇｆ／ｃｍ2以下が好ましい。ホットプレス圧力が４００ｋｇｆ／ｃｍ2以上であれば、高密度のウスタイトバルク材を容易に得ることができる。ホットプレス圧力が８００ｋｇｆ／ｃｍ2以下であれば、ウスタイトバルク材や金型の割れを防止しやすくなる。
【００２７】
ホットプレスは、Ａｒ（アルゴン）雰囲気または真空雰囲気で行うことが好ましい。なお、真空雰囲気としては、圧力が１．０×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）以下の雰囲気であることが好ましい。できる限り酸素を除去した雰囲気でホットプレスを行うことにより、ウスタイトバルク材の酸化が抑制され、高純度のウスタイトバルク材が得やすくなる。
【００２８】
ホットプレスの金型材質は特に限定されないが、ホットプレス時の耐熱性の確保や成型体と反応しないことを考慮すると、グラファイト製金型を使用することが好ましい。
【００２９】
以上のように、本発明の製造方法によれば、従来の方法に比べて、ウスタイトバルク材をより短い製造時間で、効率よく製造できる。また、本発明の製造方法によれば、高純度で高密度のウスタイトバルク材を得ることができるため、得られたウスタイトバルク材を、ウスタイト相の様々な物性を把握するための測定用試料、例えば、従来バルク材を用いなければ測定をすることが難しかったヤング率や熱膨張係数等を測定するための試験体として用いることができる。
【実施例】
【００３０】
以下に、実施例を示すことにより本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
［実験１］成型圧力の影響
Ｖ型混合機に、Ｆｅ粉末（（株）神戸製鋼所製、アトメル３００ＮＨ）とＦｅ3Ｏ4粉末（和光純薬工業（株）製、四三酸化鉄、純度９５％以上）とを、Ｆｅ粉末：Ｆｅ3Ｏ4粉末の質量比が０．８：１となるように仕込み、３時間混合した。得られた混合粉末を、円筒金型（φ１０ｍｍ×１０ｍｍ）と角状金型（５５ｍｍ×５５ｍｍ×８ｍｍt）に各々仕込み、圧力をかけて成型した。成型の際の圧力は、０．５ｔｆ／ｃｍ2、１．０ｔｆ／ｃｍ2、２．０ｔｆ／ｃｍ2、３．０ｔｆ／ｃｍ2、または４．０ｔｆ／ｃｍ2とした。金型から取り出した成型体を、Ａｒ雰囲気中で、１１００℃で１時間加熱することで焼結し、ウスタイト焼結体を得た。焼結に当たっては、１１００℃に昇温する際の昇温速度は１００℃／ｈで行い、１１００℃で１時間焼結した後の冷却は焼結炉内で放冷することにより行った。
【００３２】
成型時の圧力が０．５ｔｆ／ｃｍ2の条件では、円筒金型と角状金型いずれの金型を用いて成型した場合も、金型から取り出した時点で成型体が崩れた。一方、成型時の圧力が１．０ｔｆ／ｃｍ2以上の条件では、いずれの金型を用いて成型した場合も、金型から取り出しても成型体は崩壊せず、安定な成型体が形成されたことを確認した。
【００３３】
ウスタイト焼結体を目視にて観察した結果、成型時の圧力が４．０ｔｆ／ｃｍ2の条件では、ウスタイト焼結体にクラックが発生しており、一部ウスタイト焼結体の崩壊も確認された。成型時の圧力が１．０ｔｆ／ｃｍ2〜３．０ｔｆ／ｃｍ2の条件では、ウスタイト焼結体にはクラックの発生は認められず、良好なウスタイト焼結体が作製できたことを目視にて確認した。
【００３４】
［実験２］焼結の温度、時間、雰囲気の影響
Ｖ型混合機に、前記Ｆｅ粉末と前記Ｆｅ3Ｏ4粉末とを、表１に示す「配合比率Ｆｅ：Ｆｅ3Ｏ4」となるように仕込み、３時間混合した。なお、表１において、「配合比率Ｆｅ：Ｆｅ3Ｏ4」は、Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末の質量比を表す。得られた混合粉末を、円筒金型（φ１０ｍｍ×１０ｍｍ）に仕込み、１．５ｔｆ／ｃｍ2の圧力をかけて成型した。金型から取り出した成型体を、表１に示す温度、時間、雰囲気の各条件で加熱することで焼結し、ウスタイト焼結体を得た。なお、表１中、焼結の雰囲気を「真空」とした条件は、圧力１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）以下で焼結を行った。焼結に当たっては、所定の焼結温度に昇温する際の昇温速度は１００℃／ｈで行い、所定の温度で１時間焼結した後の冷却は焼結炉内で放冷することにより行った。
【００３５】
【表１】
【００３６】
ウスタイト焼結体をＸＲＤ（Ｘ線回折）測定し、ウスタイト焼結体に含まれる結晶構造（相）を調べた。ウスタイト焼結体の作製条件に応じて、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ、α−Ｆｅの各相が検出された。
【００３７】
一例として、表１に示したＮｏ．２のウスタイト焼結体のＸＲＤチャートを図１に、Ｎｏ．５のウスタイト焼結体のＸＲＤチャートを図２に示した。Ｎｏ．２のウスタイト焼結体では、ＦｅとＦｅ3Ｏ4に由来する弱いピークも認められたものの、ほぼＦｅＯのみに由来する回折ピークが確認された。Ｎｏ．５のウスタイト焼結体では、ＦｅＯに由来する回折ピークに加え、比較的強いＦｅの回折ピークも認められた。
【００３８】
ウスタイト焼結体のＸＲＤ測定で検出された前記各相について、表２に示す面指数を選択し、各相の選択した面指数に対応するピークの強度（ＸＲＤチャートにおけるピークの高さ）を計測した。相の種類と面指数に応じてピーク強度の感度は異なり、各相の面指数に対応するピークの相対感度係数を表２に示した。ウスタイト焼結体のＦｅＯ比率（ＦｅＯ含有量の相対比率）を、次式により算出した。
ＦｅＯ比率（容量％）＝（ＦｅＯのピーク強度×ＦｅＯの相対感度係数）／（Ｆｅ3Ｏ4のピーク強度×Ｆｅ3Ｏ4の相対感度係数＋Ｆｅ2Ｏ3のピーク強度×Ｆｅ2Ｏ3の相対感度係数＋ＦｅＯのピーク強度×ＦｅＯの相対感度係数＋α−Ｆｅのピーク強度×α−Ｆｅの相対感度係数）×１００
【００３９】
【表２】
【００４０】
焼結条件を様々変えて焼結を行ったときの、ウスタイト焼結体のＦｅＯ比率測定結果を表１に示した。表１中、Ｎｏ．２〜４、７〜９、１１、１２、１４〜１７、２０、２１のウスタイト焼結体は、ＦｅＯ比率が９５％以上となり、特にウスタイトを高純度で含有していた。
【００４１】
Ｎｏ．１のウスタイト焼結体は、Ｆｅの配合比率が低く、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。Ｎｏ．５のウスタイト焼結体は、Ｆｅの配合比率が高く、ウスタイト焼結体にはＦｅが残存した。
【００４２】
Ｎｏ．６のウスタイト焼結体は、焼結温度が低く、ウスタイト焼結体にはＦｅとＦｅ3Ｏ4が残存した。Ｎｏ．１０、１８、１９のウスタイト焼結体は、焼結温度が高く、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。
【００４３】
Ｎｏ．１３のウスタイト焼結体は、焼結時間が短く、ウスタイト焼結体にはＦｅとＦｅ3Ｏ4が残存した。
【００４４】
Ｎｏ．２２、２３のウスタイト焼結体は、焼結を窒素雰囲気下で行い、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。Ｎｏ．２４、２５のウスタイト焼結体は、焼結を大気素雰囲気下で行い、ウスタイト焼結体にはＦｅ3Ｏ4が残存した。
【００４５】
以上の結果、ＦｅＯ比率が高いウスタイト焼結体を得るには、Ｆｅ：Ｆｅ3Ｏ4の配合比率が０．７５〜０．８５：１．０、焼結温度を９００℃〜１１００℃、焼結時間を１０分〜１２０分、焼結を行う雰囲気をＡｒ雰囲気または真空（≦１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ））の条件で焼結を行えばよいことが明らかになった。
【００４６】
［実験３］ホットプレスの温度、圧力の影響
Ｖ型混合機に、前記Ｆｅ粉末と前記Ｆｅ3Ｏ4粉末とを、Ｆｅ粉末：Ｆｅ3Ｏ4粉末の質量比が０．８：１となるように仕込み、３時間混合した。得られた混合粉末を、円盤金型（φ１８０ｍｍ×２０ｍｍ）に仕込み、１．５ｔｆ／ｃｍ2の圧力をかけて成型した。金型から取り出した成型体を、Ａｒ雰囲気中で、１１００℃で１時間加熱することで焼結し、ウスタイト焼結体を得た。焼結に当たっては、１１００℃に昇温する際の昇温速度は１００℃／ｈで行い、１１００℃で１時間焼結した後の冷却は焼結炉内で放冷することにより行った。ウスタイト焼結体を９０ｍｍ×９０ｍｍ×２０ｍｍの角形ブロック状に機械加工した後、内法９０ｍｍ×９０ｍｍのグラファイト製金型にセットし、温度と圧力の各条件を変化させて、真空中（≦１×１０-3Ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ））で６０分間ホットプレスを行い、ウスタイトバルク材を得た。ホットプレスの温度条件は、７００℃、９００℃、または１０００℃とした。また、ホットプレスの圧力条件は、基本的に、０ｋｇｆ／ｃｍ2、２００ｋｇｆ／ｃｍ2、３００ｋｇｆ／ｃｍ2、４００ｋｇｆ／ｃｍ2、５００ｋｇｆ／ｃｍ2、６００ｋｇｆ／ｃｍ2、７００ｋｇｆ／ｃｍ2、または８００ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００４７】
ウスタイトバルク材の見かけ密度を、アルキメデス法により測定した。（ウスタイトバルク材の見かけ密度）÷（ウスタイトの真密度）により算出される値を、ウスタイトバルク材の焼結密度とした。なお、ウスタイトの真密度の値は５．７ｇ／ｃｍ3である。
【００４８】
温度と圧力を変えてホットプレスを行ったときの、ウスタイトバルク材の焼結密度の測定結果を図３に示した。ホットプレスの際の温度が７００℃以上、圧力が４００ｋｇｆ／ｃｍ2以上の条件では、焼結密度が９５％以上となり、当該条件でウスタイトバルク材を製造すれば、焼結体であるにも関わらず、一般のバルク材と同等の高密度材が得られることが確認できた。なお、真空以外の雰囲気でホットプレスを行った場合には、ウスタイトバルク材表面にヘマタイト（Ｆｅ2Ｏ3）の生成が認められた。特に、大気雰囲気でホットプレスを行った場合には、ヘマタイトの生成が顕著に認められた。
【００４９】
［実験４］ウスタイトバルク材の硬度測定
実験３と同様にして、ウスタイトバルク材を得た。なお、ホットプレスは、９００℃、５００ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で行った。
【００５０】
ウスタイトバルク材の硬度（ビッカース硬度）を、室温または１０００℃で測定した。硬度測定には日本光学製ＭＱ型高温顕微硬度計を使用し、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に従い測定を行った。
【００５１】
比較として、１０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍの大きさの高純度鉄（純度９９．９９％）を、１０００℃で３０分間、酸素雰囲気中で加熱することにより、表面を酸化させた試料（高純度鉄酸化試料）を作製した。高純度鉄酸化試料には、厚さ約６００μｍのスケールが生成していた。比較試料を断面加工してスケール断面を露出させ、ＦｅＯのみが層状に形成されている部分に対し、室温または１０００℃で硬度（ビッカース硬度）測定を行った。
【００５２】
測定結果を表３に示した。ウスタイトバルク材の硬度は、室温と１０００℃のいずれの条件でも、高純度鉄酸化試料に生成したスケールのＦｅＯ層の硬度にほぼ近い値となっていた。ウスタイトバルク材は、高密度で、高純度のＦｅＯを有していると認められた。
【００５３】
【表３】
【００５４】
［実験５］ウスタイトバルク材の熱膨張係数測定
実験４と同様にして得られたウスタイトバルク材を、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×２０ｍｍの大きさに機械加工して、試験体を得た。得られた試験体について、ＴＭＡ（熱機械分析）装置を用いて、室温から１０００℃までの線膨張率を測定した。一方、比較として、Ｆｅ2Ｏ3焼結体についても、同様の方法で線膨張率を測定した。
【００５５】
測定結果を図４に示した。図４中、ウスタイトバルク材の測定結果を「ＦｅＯ」と表示し、Ｆｅ2Ｏ3焼結体の測定結果を「Ｆｅ2Ｏ3」と表示した。ウスタイトバルク材とＦｅ2Ｏ3焼結体では、線膨張率の温度変化に差異があることが認められ、これらの材料の熱膨張係数は相互に異なることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の製造方法は、ウスタイト相の様々な物性を把握するための測定用試料として使用できるウスタイトバルク材を得るのに用いることができる。また、本発明の製造方法により得られたウスタイトバルク材を用いれば、鉄鋼製品の製造プロセスにおける圧延制御や温度制御等の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実験２のＮｏ．２ウスタイト焼結体のＸＲＤチャートである。
【図２】実験２のＮｏ．５ウスタイト焼結体のＸＲＤチャートである。
【図３】実験３のウスタイトバルク材の焼結密度の測定結果である。
【図４】実験５のウスタイトバルク材の熱膨張係数の測定結果である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、
前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、
前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、および
前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程
を含むことを特徴とするウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項２】
前記混合粉末を１．０ｔｆ／ｃｍ2〜３．０ｔｆ／ｃｍ2の圧力で成型する請求項１に記載のウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項３】
前記Ｆｅ粉末と前記Ｆｅ3Ｏ4粉末とを、Ｆｅ3Ｏ4粉末１質量部に対しＦｅ粉末０．７５質量部〜０．８５質量部となる比率で混合し、
前記成型体を、９００℃〜１１００℃の温度、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で焼結し、
前記ウスタイト焼結体をＡｒ雰囲気または真空雰囲気でホットプレスする請求項１または２に記載のウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項４】
前記ウスタイト焼結体を、７００℃〜１０００℃の温度、４００ｋｇｆ／ｃｍ2〜８００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力でホットプレスする請求項１〜３のいずれか１項に記載のウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項１】
Ｆｅ粉末とＦｅ3Ｏ4粉末とを混合して混合粉末を得る工程、
前記混合粉末を成型して成型体を得る工程、
前記成型体を焼結してウスタイト焼結体を得る工程、および
前記ウスタイト焼結体をホットプレスしてウスタイトバルク材を得る工程
を含むことを特徴とするウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項２】
前記混合粉末を１．０ｔｆ／ｃｍ2〜３．０ｔｆ／ｃｍ2の圧力で成型する請求項１に記載のウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項３】
前記Ｆｅ粉末と前記Ｆｅ3Ｏ4粉末とを、Ｆｅ3Ｏ4粉末１質量部に対しＦｅ粉末０．７５質量部〜０．８５質量部となる比率で混合し、
前記成型体を、９００℃〜１１００℃の温度、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気で焼結し、
前記ウスタイト焼結体をＡｒ雰囲気または真空雰囲気でホットプレスする請求項１または２に記載のウスタイトバルク材の製造方法。
【請求項４】
前記ウスタイト焼結体を、７００℃〜１０００℃の温度、４００ｋｇｆ／ｃｍ2〜８００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力でホットプレスする請求項１〜３のいずれか１項に記載のウスタイトバルク材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２３９４００（Ｐ２００８−２３９４００Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８２４１０（Ｐ２００７−８２４１０）
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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