CN105296846B

CN105296846B - 低热膨胀铸钢品及其制造方法

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Publication number: CN105296846B
Application number: CN201510378417.6A
Authority: CN
Inventors: 大野晴康; 坂口直辉; 小奈浩太郎
Original assignee: New Reporting System
Current assignee: Xinbaoguo Materials Co.,Ltd.
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2035-07-01
Also published as: CN105296846A

Abstract

本发明的课题是得到热膨胀率低的铸钢品。一种低热膨胀铸钢品，其特征在于，成分组成按质量％计含有C：0.04％以下、Si：0.3％以下、Mn：0.5％以下、Al：0.2％以下、Ni：31～34％、和Co：2～6％，余量为Fe以及不可避免的杂质，奥氏体组织的平均晶体粒径为200μm以下，18～28℃时的热膨胀系数为0.2×10^‑6/℃以下。

Description

低热膨胀铸钢品及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有低的热膨胀系数的低热膨胀铸钢品及其制造方法。

背景技术

作为电子和/或半导体相关设备、激光加工机、超精密加工设备的部件材料，广泛使用在热学上稳定的因瓦合金。

专利文献1中公开了含有Ni：29.5～35％、Co：2.0～7.0％、Cr：0.001～2.0％的、热膨胀系数为0.5×10^-6/℃～2.0×10^-6/℃的低热膨胀合金。该合金通过在均质固溶处理之后，进行淬火或者以1℃/秒以下的速度冷却来进行退火后，进行10％以上的冷轧加工来获得。

专利文献2中公开了含有Co：65％以下、Ni：30％以下、Cr：10％以下，且Co和Ni的合计含量为25～65％的低热膨胀线。专利文献2还公开了通过冷加工来使低热膨胀线的奥氏体相的一部分相变为加工诱发马氏体相的方法。

专利文献3中公开了含有Ni：0.03～1.5％、Ni与Co的合计：53～55％、Cr：9～10％的低热膨胀合金。专利文献3还公开了将合金在650～900℃下退火后，在炉内以小于20℃/分钟的速度冷却的方法。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2796966号公报

专利文献2：特开平6-279945号公报

专利文献3：日本专利第5534150号公报

非专利文献

非专利文献1：铸造技术讲座编辑委员会编(1967)，钢铸件，日刊工业新闻社，p.3～32

发明内容

一般地，具有复杂的形状的构件，从制造的容易度出发，不进行机械加工和/或焊接而使用铸钢品。铸钢品通过向铸模浇注熔液，能够得到从小型的部件到大型的部件的任意形状，因此具有制造容易的优点。

迄今为止，对于样品级的因瓦合金，如上所述，完成了各种发明。但是，在所有的部位热膨胀系数显示低的值的、特别是重量为10kg以上那样的大型的铸钢品不曾被报道过。可以认为这是因为在利用铸模进行的凝固中，在大致垂直于铸模壁面的方向产生温度梯度，凝固从壁面朝向中心进行，但特别是在为大型、或者形状复杂的情况下，难以使铸钢品整体成为一样的组织。

本发明的课题是解决上述的问题，提供即使是重量为10kg以上那样的大型也在所有的部位具有低的热膨胀系数的铸钢品及其制造方法。

本发明人对制造特别是即使重量为10kg以上那样的大型，在所有的部位热膨胀系数也显示低的值的铸钢品的方法进行了专心研究。其结果发现：通过将铸造后的铸钢品强制冷却至Ms点以下来使一部分或者大部分进行马氏体相变后，再次加热而将马氏体组织进行奥氏体化，其后，以规定的速度进行冷却，由此如果是通常的铸钢品则成为1～10mm左右的大小的奥氏体晶粒的组织(例如参照非专利文献1)遍及铸钢品的整体地成为不能由通常的凝固的组织控制得到的微细的组织，其结果，即使铸钢品为大型也能够制造不论在哪个部位热膨胀系数都低的铸钢品。本发明是基于上述的见解完成的，其要旨如下。

(1)一种低热膨胀铸钢品，其特征在于，成分组成按质量％计含有C：0.04％以下、Ni：31～34％以及Co：2～6％，余量为Fe以及不可避免的杂质，奥氏体组织的平均晶体粒径为200μm以下，18～28℃时的热膨胀系数为0.2×10^-6/℃以下。

(2)根据上述(1)所述的低热膨胀铸钢品，其特征在于，重量为10kg以上。

(3)根据上述(1)或(2)所述的低热膨胀铸钢品，其特征在于，最大壁厚为35mm以上。

(4)一种低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，依次具备以下工序：

低温处理工序，该工序将铸钢品冷却至Ms点以下，在Ms点以下的温度保持0.5～3小时后升温至室温，所述铸钢品的成分组成按质量％计含有C：0.04％以下、Ni：31～34％以及Co：2～6％，余量为Fe以及不可避免的杂质；

再结晶处理工序，该工序将实施了低温处理的铸钢品加热至800～1100℃并保持0.5～5小时；和

冷却工序，该工序将实施了再结晶处理的铸钢品以使650℃～300℃的区间的冷却速度为30℃/分钟以上的条件进行急冷。

(5)根据上述(4)所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，在上述低温处理工序之前还具备固溶处理工序，所述固溶处理工序将铸钢品加热至800～1100℃并保持0.5～5小时。

(6)根据上述(3)所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，在上述低温处理工序之前还具备扩散处理工序，所述扩散处理工序将铸钢品在1100～1300℃保持5～50小时。

(7)根据上述(5)所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，在上述固溶处理工序之前还具备扩散处理工序，所述扩散处理工序将铸钢品在1100～1300℃保持5～50小时。

(8)根据上述(4)～(7)的任一项所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，在上述低温处理工序与上述再结晶处理工序之间还具备调质处理工序，所述调质处理工序将铸钢品在300～400℃保持1～10小时。

根据本发明，通过对铸造后的铸钢品实施规定的热处理，使铸钢品的整体成为晶体粒径小的组织，由此能够得到在所有的部位热膨胀系数低的铸钢品，因此能够适用于在热学上稳定且需要复杂的形状的大型部件等。

附图说明

图1是对铸钢品实施了低温处理后的组织的一例。

图2是对铸钢品实施了再结晶处理的组织的一例。

图3是对铸钢品实施了固溶处理后的组织的一例。

具体实施方式

以下对本发明详细地说明。以下，关于成分组成的“％”只要没有特别说明则表示“质量％”。起初，对本发明的铸钢品的成分组成进行说明。在本发明中，特别是对于大型的铸钢品，为了使铸钢品整体的热膨胀系数为低的值，需要严密地控制成分组成。

Ni是使热膨胀系数降低的元素。Ni量不论过多还是过少，热膨胀系数都不会变得充分小。另外，若Ni量过多则难以通过冷却来使马氏体相变发生。为了遍及大型的铸钢品整体地使热膨胀系数为低的值，需要将Ni量控制在狭窄的范围。具体地讲，Ni规定为31～34％的范围。

Co通过与Ni组合有助于降低热膨胀系数。为了得到所希望的热膨胀系数，Co的范围规定为2～6％。

C在奥氏体中固溶，有助于强度的上升。但是，C在再结晶处理工序中固溶于基体中并在冷却时析出，增大热膨胀系数。为了使热膨胀系数为0.2×10^-6/℃以下，需要使C的析出量较低。因此，其量规定为0.04％以下。

Si、Mn以及Al作为脱氧剂被添加。在本发明中，为了制作没有喷火的健全的铸钢品，只要分别添加脱氧所需要的最小限度的量即可。添加量分别规定为Si：0.3％以下、Mn：0.5％以下以及Al：0.2％以下。

成分组成的余量为Fe以及不可避免的杂质。所谓不可避免的杂质，是指在工业性地制造具有本发明中规定的成分组成的钢时，从原料、制造环境等不可避免地混入的物质，而不是有意地使钢中含有的物质。

具体地可举出S、P、Cu、Cr等。这些元素不可避免地混入的情况下的含量为P：0.01％以下、S：0.01％以下、Cu：0.01％以下、Cr：0.01％以下左右。再者，C、Si、Mn和Al也有时即使不意图含有也作为不可避免的杂质而混入，但只要在上述的含量的范围就没有问题。

本发明的铸钢品的组织是平均粒径为200μm以下的奥氏体组织。组织以微细的等轴晶为中心。虽并不必需组织的全部为等轴晶，但优选等轴晶的比例按面积率计为60％以上。更优选等轴晶的比例按面积率计为90％以上，进一步优选等轴晶的比例按面积率计为95％以上。

在大型的铸钢品的情况下，就铸钢品的全部的组织来说，成为平均粒径为200μm以下的奥氏体组织很重要。如果存在不满足该条件的组织，则不能够使铸钢品整体都得到低的热膨胀系数。

接着，对本发明的低热膨胀铸钢品的制造方法进行说明。

本发明的低热膨胀铸钢品的制造所使用的铸模、向铸模注入钢液的注入装置、注入方法并不特别限定，使用公知的装置、方法即可。由铸模制造出的铸钢品的组织成为以柱状晶为中心的组织。对该铸钢品实施以下的热处理。

首先，将铸钢品急冷至Ms点以下，在Ms点以下的温度保持0.5～3小时后，升温至室温(低温处理工序)。冷却的方法不特别限定。一般地Ms点能够使用钢的成分并采用下述式推定。

Ms＝521-353C-22Si-24.3Mn-7.7Cu-17.3Ni-17.7Cr-25.8Mo

在此，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo为各元素的含量(质量％)。不含有的元素设定为0。

在本发明的低热膨胀铸钢品的成分组成的情况下，用上式计算出的Ms点特别依赖于Ni量，为从-10℃到-70℃左右，因此能够使用浸渍于作为冷却介质的干冰、甲醇或乙醇、液态氮中的方法、或者将液态氮喷雾的方法。由此形成含有微细的马氏体的组织。另外，升温，通过提起到室温的大气中而进行即可。图1表示低温处理工序之后的组织的例子。

接着，将铸钢品再加热到800～1100℃，并在800～1100℃保持0.5～5小时(再结晶处理工序)。其后，将650℃～300℃的区间的冷却速度设为30℃/分钟以上来冷却铸钢品(冷却工序)。由此，形成了马氏体的组织变回奥氏体组织。通过通常的凝固而形成的组织的晶体粒径为1～10mm左右，但通过经过上述的低温处理工序和其后的再结晶处理工序、冷却工序，奥氏体组织成为以等轴晶为中心的平均粒径为200μm以下的微细的组织。图2表示再结晶处理工序之后的组织的例子。

在本发明中，再结晶处理工序的冷却速度极为重要。本发明人为了深入研究冷却速度的影响，通过在大型的铸钢品的部位以及壁厚不同的部位埋入热电偶、实测冷却时的温度来求冷却速度，并测定了从该测定部位取的试样的热膨胀系数。其结果发现，通过将化学成分设为上述的范围，将奥氏体组织的平均粒径设为200μm以下，并且，将650℃～300℃的区间的冷却速度设为30℃/分钟以上，能够使18～28℃时的热膨胀系数为0.2×10^-6/℃以下。

可以在低温处理之前设置固溶处理工序，所述固溶处理工序将铸钢品加热至800～1100℃，保持0.5～5小时，进行急冷。通过固溶，铸造时析出的析出物固溶，延展性、韧性提高。图3表示实施了固溶处理之后的组织的例子。在该阶段的组织，与通常的铸钢品同样，是柱状晶为主体的奥氏体组织。

可以在低温处理工序之前(在设有固溶处理工序的情况下，在固溶处理工序之前)还具备扩散处理工序，所述扩散处理工序将铸钢品在1100～1300℃保持5～50小时。由此，钢中的Ni以及杂质的偏析变得不存在，能够更稳定地制造即使是大尺寸的铸钢品也具有极低的热膨胀系数的铸钢品。

为了使再结晶奥氏体晶粒更微细化，可以在低温处理工序和再结晶处理工序之间实施将铸钢品加热至AC₃点下方的300～400℃，并在300～400℃保持1～10小时的马氏体的调质处理(调质处理工序)。

实施例

将调整成为表1所示的成分组成的熔液注入到铸模中，制造出具有表1中记载的重量、最大壁厚的铸钢品。没有记载的Fe以外的元素含量，确认到为不可避免的杂质水平。

对制造出的铸钢品实施以下项中的任一项的热处理，得到最终的铸钢品。

(a)低温处理→再结晶处理

(b)固溶处理→低温处理→再结晶处理

(c)扩散处理→低温处理→再结晶处理

(d)扩散处理→固溶处理→低温处理→再结晶处理

(e)扩散处理→固溶处理→低温处理→调质处理→再结晶处理

(f)低温处理→调质处理→再结晶处理

(g)固溶处理

从制造出的铸钢品的各位置的壁厚的中心部取试样，实施上述的热处理，并进行了各试验。热膨胀系数使用热膨胀测定机，作为18～28℃时的平均热膨胀系数来求出。奥氏体组织的平均晶体粒径，作为观察到的晶粒的当量圆直径的平均值来求出。关于No.3、No.8和No.16，针对多个位置进行测定。将结果示于表1。

按表1所示那样，能够确认到：本发明例的铸钢品，晶体粒径小，遍及铸钢品整体地得到了低的热膨胀系数。

Claims

1.一种低热膨胀铸钢品，其特征在于，成分组成按质量％计含有

C：0.04％以下、

Si：0.3％以下、

Mn：0.5％以下、

Al：0.2％以下、

Ni：31～34％、和

Co：2～6％，

余量为Fe以及不可避免的杂质，

奥氏体组织的平均晶体粒径为200μm以下，

所有的部位的18～28℃时的热膨胀系数为0.2×10^-6/℃以下，

重量为10kg以上，

最大壁厚为35mm以上。

2.一种低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，依次具备以下工序：

低温处理工序，该工序将铸钢品冷却至Ms点以下，在Ms点以下的温度保持0.5～3小时后升温至室温，所述铸钢品的成分组成按质量％计含有C：0.04％以下、Si：0.3％以下、Mn：0.5％以下、Al：0.2％以下、Ni：31～34％、和Co：2～6％，余量为Fe以及不可避免的杂质；

3.根据权利要求2所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，在所述低温处理工序之前还具备固溶处理工序，所述固溶处理工序将铸钢品加热至800～1100℃并保持0.5～5小时。

4.根据权利要求2所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，在所述低温处理工序之前还具备扩散处理工序，所述扩散处理工序将铸钢品在1100～1300℃保持5～50小时。

5.根据权利要求3所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，其特征在于，在所述固溶处理工序之前还具备扩散处理工序，所述扩散处理工序将铸钢品在1100～1300℃保持5～50小时。

6.根据权利要求2～5的任一项所述的低热膨胀铸钢品的制造方法，在所述低温处理工序与所述再结晶处理工序之间还具备调质处理工序，所述调质处理工序将铸钢品在300～400℃保持1～10小时。