JP2002206142A - 快削性低熱膨張鋳物用合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた被削性を有すると共に、熱膨張係数が
小さくて寸法精度の高い鋳物を与える快削性低熱膨張鋳
物用合金を提供すること。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｎｉ：３
０〜３４％、Ｃｏ：４〜６％を含む鉄基合金からなり、
Ｍｎ：０．１〜１．０％とＳ：０．０２〜０．１５％を
含有すると共に、（Ｍｎ／54.94）＞（Ｓ／32.06）を満
たし、あるいは、ＭｎＳが体積分率で０．００７〜０．
２％含まれると共に、固溶Ｓが実質的に存在しない被削
性に優れた低熱膨張鋳物用合金を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は快削性低熱膨張鋳物
用合金に関し、詳細には、被削性、殊に切屑分断性に優
れると共に熱膨張率が小さくて寸法変化が少なく、しか
も線膨張安定性にも優れており、精密構造鋳物部品など
の用途に適した快削性低熱膨張鋳物用合金に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】現在、被削性と低熱膨張が要求される用
途に用いられる実用合金として公知のインバーやスーパ
ーインバー合金を用いた鋳造品においては、溶湯を凝固
させる際に素材中に球状黒鉛を生成させ、これにより快
削性を与える方法が一般的に採用されている。そのため
この種の合金では、適量の球状黒鉛を生成させることの
必要上、合金中に多量のＣを含有させなければならな
い。ところがＣ量を多量含有させると、マトリックス内
に固溶するＣ量の増大によって熱膨張係数が高まり、低
熱膨張合金としての要求特性を満たし得なくなるので、
熱膨張係数を下げるため高価なＣｏを多量含有させなけ
ればならない。

【０００３】しかも、球状黒鉛を含む合金で１．０×１
０^-6／℃以下といったレベルの低線膨張係数を確保する
には、該合金を一旦６００〜９５０℃程度の温度に加熱
し、マトリックス内に過飽和に固溶しているＣを微細黒
鉛として析出させマトリックス中の固溶Ｃ濃度を低下さ
せるために急冷しなければならない。ところが、一般に
部品部位によって大きな肉厚差を有する大型鋳物を上記
の如く高温に曝して更に急冷することは、鋳物を鋳造す
る際の変形を助長して寸法精度を低下させるので好まし
くない。加えて、Ｃｏを多量添加するとマルテンサイト
変態開始点（Ｍｓ点）が上昇して室温近傍となるため、
寒冷地での輸送に際しマルテンサイト変態が進行してイ
ンバー効果を発現できなくなるので、使用可能な温度環
境が制限され汎用性を欠くものとなる。

【０００４】この様に、球状黒鉛を生成させて快削性を
高める従来の鋳物用合金では、Ｃ添加量の増大による線
膨張係数の増大や寸法精度の低下が避けられず、快削性
と低膨張係数の２つの要求特性を同時に満たすことは容
易でない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は、優れ
た被削性を有すると共に、熱膨張係数が小さくて寸法精
度の高い鋳物を与える快削性低熱膨張鋳物用合金を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る快削性低熱膨張鋳物用合金とは、
質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｎｉ：３０〜３４％、Ｃ
ｏ：４〜６％を含む鉄基合金からなり、Ｍｎ：０．１〜
１．０％とＳ：０．０２〜０．１５％を含有すると共
に、（Ｍｎ／54.94）＞（Ｓ／32.06）を満たす鉄基合金
し、あるいはＭｎＳが体積分率で０．０７〜０．２％含
まれると共に固溶Ｓが実質的に存在しない鉄基合金から
なるところに要旨を有している。

【０００７】上記本発明の快削性低熱膨張鋳物用合金に
おいては、Ｓをやや多めの０．０４〜０．１５％の範囲
で含有させると、鋳造後の熱処理（ＳＲ処理）による寸
法変化量を大幅に少なくできるので好ましい。また、該
合金中に他の元素としてＳｉ：０．３〜１．０％を含有
させると、鋳造時の湯流れ性が向上し、湯流れ不良によ
る鋳造欠陥をより効果的に抑えることができるので、複
雑形状の大型鋳物製造用として好ましく、更に他の元素
として、Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｒよりなる群から選択される少
なくとも1種の元素を総量で０．０３％以下含有させる
と、鋳造時の熱間脆化を抑制することができ、特に薄肉
大型の鋳物を鋳造する際の熱間割れをより効果的に抑え
ることができるので好ましい。

【０００８】そして本発明の上記合金は、特に、中空部
を有する薄肉で複雑な形状の大型鋳物を製造するための
原料として使用することにより、その特徴がより効果的
に発揮される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは前述した様な従来技
術の下で、被削性の向上に球状黒鉛の析出を利用する従
来の快削性低熱膨張鋳物用合金に指摘される問題、殊
に、球状黒鉛を生成するためのＣ量の増大とそれに伴う
マトリックス中のＣ固溶量の増大による熱膨張係数の増
大や寸法精度の低下などを解消し、熱膨張係数が低くて
且つ被削性に優れた鋳物用合金の開発を期して鋭意研究
を進めてきた。その結果、ＮｉやＣｏを含む従来の低熱
膨張性鋳造用合金における、上記熱膨張係数や寸法精度
の阻害要因となるＣ量を低減する一方、球状黒鉛に代わ
る被削性改善成分として少量のＭｎとＳを積極的に含有
させて適量のＭｎＳを存在させれば、被削性と低熱膨張
という２つの要求特性を同時に満たす鋳物用合金が得ら
れることを知り、上記本発明に想到したものである。

【００１０】以下、本発明において鋳物用合金の化学成
分などを規定した理由を具体的に説明していく。

【００１１】Ｃ：０．１％以下 本発明では、追って詳述する如く被削性の向上に球状黒
鉛に代えてＭｎＳを利用するもので、球状黒鉛の析出は
必要としない。換言すると本発明では、Ｃ量を極力少な
く抑えることによって固溶炭素に起因する線膨張係数の
増大を防止すると共に、基本組成以上にＣｏ量を増加す
ることを回避し、更には固溶炭素の析出に要する高温加
熱と急冷といった熱処理を不要とするもので、こうした
特徴を活かす上でＣ量は０．１％以下、より好ましくは
０．０５％以下に抑えることを必須とする。ちなみに、
Ｃ量が０．１％を超えると、マトリックス中への固溶炭
素量の増大による線膨張係数の増大が軽視できなくな
り、Ｃｏ量を基本組成以上に増大しなければならなくな
って本発明の目的にそぐわなくなる。

【００１２】Ｎｉ：３０〜３４％およびＣｏ：４〜６％ Ｎｉは、インバーやスーパーインバーとして開発された
低熱膨張鋳物用合金の熱膨張係数αに最も影響を与える
元素であって、熱膨張係数αで１．０×１０^-6／℃以下
といったレベルの低熱膨張特性を確保するには、Ｎｉ含
量を３０〜３４％の範囲、より好ましくは３１〜３３％
の範囲に設定することが重要であり、この範囲未満でも
又この範囲を超えても、熱膨張率αは著しく増大してく
る。またＣｏ含量は、上記Ｎｉ含量３０〜３４％との組
合わせにおいて低熱膨張率を確保するため４〜６％の範
囲に設定しなければならず、４％未満もしくは６％超で
は適正Ｎｉ含量の範囲内においても満足のいく低熱膨張
率を確保できなくなる。Ｃｏのより好ましい含有量は
４．５〜５．５％である。

【００１３】Ｍｎ：０．１〜１．０％およびＳ：０．０
２〜０．１５％ 従来のインバーやスーパーインバーにおいて、Ｍｎは偏
析を生じ易く、しかも熱膨張係数を増大させ、またＳは
偏析して脆化を起こす有害元素として、何れもその含有
は嫌われており、極力少なく抑えることが望ましいとさ
れている。これに対し本発明では、ＭｎとＳを積極的に
含有させ、マトリックス中に生成するＭｎＳを球状黒鉛
に代わる被削性改善成分として有効に活用するもので、
こうしたＭｎＳによる被削性改善効果を有効に発揮させ
るには、Ｍｎを０．１〜１．０％含有させると共にＳを
０．０２〜０．１５％含有させることが必要となる。ち
なみにＭｎ含量が０．１％未満もしくはＳ含量が０．０
２％未満では、ＭｎＳの生成量が不十分で満足のいく被
削性を得ることができない。一方、Ｍｎ含量が１．０％
を超えると、線膨張係数が増大傾向を示す様になり、ま
たＳ含量が０．１５％を超えると熱間で脆化し易くな
り、鋳造時に鋳物が高温割れを起こす原因になる。

【００１４】この際、鉄基合金中に含有させるＭｎは、
Ｓ含量に対し当量比で等量以上、即ち質量比で「（Ｍｎ
／54.94）＞（Ｓ／32.06）」を満たす様に両元素含有量
を制御すべきであり、即ち、Ｓの実質的に全てをＭｎＳ
として固定することにより固溶Ｓ量を極力少なく、好ま
しくは実質的にゼロとすることが望ましい。ちなみに、
ＳがＭｎと結合することなくマトリックス中に固溶状態
で存在すると、熱間での脆化が著しなり、鋳造時に熱間
割れを起こす原因になるからである。尚、Ｓに対してＭ
ｎ含量をかなり多めに設定しても固溶Ｓを完全にゼロに
することは困難であり、ごく少量の固溶Ｓの存在は回避
し難い。従って、本発明で「固溶Ｓが実質的に存在しな
い」とは、熱間割れに実質的な悪影響を及ぼさない限り
ごく微量の固溶Ｓの存在は許容されることを意味する。

【００１５】本発明では、上記の様に被削性改善成分と
して適量のＭｎとＳを積極的に含有させるところに特徴
を有しているが、これらの元素を含有させることによる
被削性改善効果を有効に発揮させるための基準として、
当該合金中に含まれるＭｎＳの体積分率で規定すること
も極めて有効となる。即ち本発明者らが確認したところ
では、ＭｎとＳの結合によって生成するＭｎＳ量が体積
分率で０．０７〜０．２％、より好ましくは０．１〜
０．２％の範囲となる様に制御すれば、線膨張係数の増
大や熱間脆化を起こすことなく被削性を効果的に高め得
ることが確認された。但しこの場合も、Ｍｎと結合せず
未反応状態でマトリックス中に固溶するＳは熱間での脆
化が顕著となるので、添加するＭｎ量は添加Ｓに対して
等量以上とし、固溶Ｓが実質的に残存しない様にするこ
とが望ましい。

【００１６】なお上記元素のうち特にＳは、後記実施例
でも明かにする如く鋳造後のＳＲ処理（応力除去焼鈍）
時における線膨張を抑えて寸法精度を高める上で有効に
作用し、こうした作用は、Ｓ含量を０．０４％以上とす
ることによって有効に発揮されることを確認している。
こうしたＳＲ処理時の寸法安定化作用はＭｎＳの生成に
よってもたらされるものと考えられるが、実験によって
確認したところでは、該寸法安定化効果はＳ含有量と有
意な関連を有しており、Ｓ含量が０．０４％未満では殆
ど有効に発揮されないのに対し、Ｓを０．０４％以上含
有させると、これと等量比以上のＭｎを含有させること
によって確実に発揮されることが確認された。従って、
本発明に係る鋳造用合金を鋳造後にＳＲ処理して使用す
る用途に適用する場合は、Ｓ含量を０．０４％以上、よ
り好ましくは０．０６％以上に増量することが望まし
い。この場合も、Ｓ含有量の上限は上記と同じ理由で
１．０％以下に抑えるべきである。

【００１７】本発明に係る快削性低熱膨張鋳物用合金の
必須構成元素は上記の通りであり、残部成分は実質的に
Ｆｅと不可避不純物であるが、必要によっては、鋳物用
合金として更なる付加的特性を与えるため、下記の元素
を適量含有させることも有効である。

【００１８】Ｓｉ：０．３〜１．０％ Ｓｉは、鋳造用合金として鋳造時の湯流れ性を高める上
で有効に作用する元素で、特に薄肉且つ複雑で大型の鋳
物製品を鋳造する際の湯流れ不良による鋳造欠陥を確実
になくすのに有益な元素であり、湯流れ性改善作用を有
効に発揮させるには、Ｓｉ含量を０．３％以上、より好
ましくは０．５％以上含有させることが望ましい。しか
し、Ｓｉ含量が多過ぎると線膨張係数が増大し満足な寸
法精度が得られ難くなるので、多くとも１．０％以下、
より好ましくは０．８％以下に抑えるべきである。なお
鋳物の寸法・形状によっては、例えば比較的厚肉で単純
な形状の鋳物を製造する際には、Ｓｉを添加せずとも湯
流れ不良が特に問題になることはないので、Ｓｉの添加
は必須とされない。

【００１９】Ｚｒ，Ｍｇ，Ｃａよりなる群から選択され
る少なくとも１種の元素：総量で０．０３％以下 Ｚｒは、鋳造時の熱間脆性を高める上で有効に作用する
元素であり、その効果は極少量、例えば０．００２％程
度以上の添加で有効に発揮され、特に薄肉大型の鋳型を
鋳造する際に起こりがちな熱間割れを抑制する作用を有
している。しかし、それらの作用は約０．０３％で飽和
し、それ以上含有させると却って線膨張係数を増大させ
る原因になるので、０．０３％以下、より好ましくは
０．０１％以下に抑えるべきである。またＭｇやＣａ
も、上記Ｚｒと同様の作用を発揮する点で同効元素であ
り、これらの元素を添加する際の好適添加量は、それら
元素の総添加量で決めればよい。

【００２０】本発明においては、上記元素以外にも必要
に応じて析出強化作用を有するＡｌ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，
Ｔａなどを、鋳物に求められる要求特性に応じて適量含
有させることも有効である。

【００２１】また該合金中に不可避的に含まれている元
素のうち、Ｐは微量でも鋳造時の湯流れ性向上に有効に
作用するが、多過ぎると熱間脆性を劣化させて鋳造時に
高温割れを起こす原因になるので、０．５％以下、より
好ましくは０．１％以下に抑えるべきである。

【００２２】またＰ以外に混入し得る不可避不純物とし
てＣｒ，Ｍｏ，Ｃｕなどが挙げられるが、これらは何れ
も線膨張係数を高める原因になるので、何れもできるだ
け少なく抑えることが望ましい。

【００２３】本発明に係る鋳造用合金の溶製法には格別
特殊な技術が要求されず、常法に従って前記成分組成を
満たす様に配合原料を調整し、高周波溶解炉や電気炉な
ど任意の溶解炉を用いて加熱溶融すればよいが、特に基
金属となる鉄については、その中に含まれるＣやＭｎ、
Ｓ等の量を正確に把握しておき、全溶製原料としての
Ｃ，Ｍｎ，Ｓの各含有量が前述した好適範囲に納まる様
にコントロールすることが必要となる。鉄原料中に不可
避的に含まれていることの多いＳｉやＰについても同様
である。そしてこれら鉄源中に含まれている上記元素量
を踏まえて、これに適量のＮｉやＣｏを添加すると共
に、必要に応じてＭｎやＳなどを追加し前述した組成範
囲となる様に成分調整すればよい。

【００２４】また、該鋳造合金を用いて鋳物を製造する
際の鋳造条件も特に限定されないが、好ましくは合金の
液相線温度＋２０℃以上の鋳込み温度で砂型を用いて鋳
造されるが、本発明の鋳造用合金は前述の如く低熱膨張
性で寸法変化量が少なく熱間脆性の優れたものであるか
ら、比較的薄肉で複雑な形状構造を有する大型鋳物であ
っても、鋳造時の冷却凝固過程で熱間割れなどを起こす
ことがなく、また適量のＳｉを含有させたものは湯流れ
性も良好であるから、鋳込み不良による鋳造欠陥を起こ
すこともない。

【００２５】得られる鋳物は、常法に従って鋳型から脱
型した後、バリ取りや寸法調整のための切削加工や研磨
加工の後、タップやドリルを用いた研削や穿孔、フライ
ス加工などにより最終製品形状に加工されるが、この合
金は被削性が良好で切屑処理性に優れたものであるか
ら、それらの加工を容易且つ精度良く行なうことができ
る。特に本発明の合金は切屑処理性に優れているので、
自動穿孔加工装置などを用いて連続加工を行なった場合
でも、被加工部に切屑が溜まって連続加工を阻害したり
加工精度を損なうといった問題を生じることもなく、ロ
ボットなどを用いた全自動加工にも容易に適用できる。

【００２６】本発明の鋳造用合金は上記の様な特性を有
しているので、例えば半導体製造装置用部品や精密機械
加工用部品などの如く、中空部を有する薄肉で複雑形状
の大型鋳物であって、鋳造後に穿孔加工や切削加工、フ
ライス加工の如き仕上げ処理の施される鋳造製品の素材
として有効に活用できる。

【００２７】

【実施例】次に実験例を挙げて本発明をより具体的に説
明するが、本発明はもとより下記実験例によって制限を
受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲
で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それ
らはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

【００２８】実験例 高周波溶解炉を用いて、Ａｒガス雰囲気下で表１に示す
化学成分の鋳物用合金を溶製し、夫々について下記の方
法で湯流れ性を評価した。また各合金溶湯を使用し、最
小板厚８ｍｍの矩形筒状構造体からなる鋳物の鋳造実験
を行なった。得られた各鋳物について、下記の方法でＭ
ｎＳの体積分率および線膨張係数を測定すると共に、厚
さ１０ｍｍの部位を直径４ｍｍのドリルを用いて貫通孔
穿孔加工を行なった時の被削性を評価した。なお被削性
は、切り粉の毟れ具合で下記の基準で定性的に評価し
た。結果を表１，２に示す。

【００２９】［湯流れ性］各供試合金５００ｋｇを約１
６００℃に加熱溶融し、これを厚さ８ｍｍ×幅１００ｍ
ｍ×長さ１０００ｍｍの横向きに配置した鋳型内へ大気
圧下で上方から充填したときの充填状態により、下記の
基準で評価する。 ○：鋳型内に完全充填、 ×：鋳型角部に未充填部残存
あり。

【００３０】［ＭｎＳの体積分率］ＪＩＳ Ｋ ０５５
５に規定される清浄度評価による点算法に順じて測定
し、面積分率がほぼ体積分率に相当することを利用して
体積分率を求める。

【００３１】［線膨張係数］セイコーインスツルメンツ
社製の線膨張係数測定装置「ＴＭＡ６１００」使用し、
ＪＩＳ Ｋ７１９７に準拠して、直径４ｍｍ×長さ１０
ｍｍの試験片を使用し、窒素ガス流量：１００ｍｌ／ｍ
ｉｎ、圧縮加重：５ｇｆの条件で室温(２３℃)〜１００
℃までの間を５℃／ｍｉｎの昇温速度で、試験片の長さ
１０ｍｍ方向に発生する伸び量を測定し、室温から１０
０℃までの平均線膨張率から算出する。

【００３２】［被削性］厚さ８ｍｍの平板状試験片の表
面から板の垂直方向に直径４ｍｍのドリルを用いて９８
０回転／ｍｉｎ、刃先送り速度０．０５ｍｍ／回転の条
件で連続１０個の貫通孔を穿ち、その切り粉を採取す
る。そして、該切り粉に認められる毟れ具合と切り粉の
長さで被削性を評価する。毟れ具合が少なく切り粉の長
さの短いものほど被削性良好と判断する。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】また、上記で得たＮｏ.１と３の合金を用
いて得た鋳物について、下記の方法で鋳造ままの寸法変
化量と、ＳＲ処理（３１５℃×３ｈｒ）後の線膨張係数
を比較したところ、図１に示す結果を得た。

【００３６】図１からも明らかな様に、Ｓ含有量が０．
０１９％の合金Ｎｏ．１では、鋳造ままの鋳物に対して
その後にＳＲ処理を施したときの熱膨張係数が著しく大
きくなっている。これに対し、Ｓ含有量が０．１０４％
である合金Ｎｏ．３では、鋳造ままの状態とＳＲ処理後
の状態で熱膨張係数は殆ど変わっていない。この実験例
からも明らかな様に、鋳造後にＳＲ処理が施される用途
に適用する場合は、合金中に０．０４％程度以上のＳを
含有させることにより、安定した熱膨張係数を確保する
ことが望ましい。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、球
状黒鉛の生成により被削性を高める従来タイプの快削性
低熱膨張鋳物合金に対し、球状黒鉛に代わる被削性改善
成分としてＭｎＳを利用した低炭素量の合金組成とする
ことにより、優れた被削性と低熱膨張率を兼備すると共
に寸法安定性に優れ、特に薄物大型鋳物の製造に適した
快削性低熱膨張鋳物用合金を提供し得ることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験で用いた供試合金を用いて得た鋳物の、鋳
造ままの熱膨張係数とＳＲ処理後の熱膨張係数を対比し
て示すグラフである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｎｉ：３
   ０〜３４％、Ｃｏ：４〜６％を含む鉄基合金からなり、
   Ｍｎ：０．１〜１．０％とＳ：０．０２〜０．１５％を
   含有すると共に、（Ｍｎ／54.94）＞（Ｓ／32.06）を満
   たすことを特徴とする快削性低熱膨張鋳物用合金。
2. 【請求項２】 鉄基合金が、Ｓ：０．０４〜０．１５％
   を含むものである請求項1に記載の快削性低熱膨張鋳物
   用合金。
3. 【請求項３】 質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｎｉ：３
   ０〜３４％、Ｃｏ：４〜６％を含む鉄基合金からなり、
   ＭｎＳが体積分率で０．０７〜０．２％含まれると共
   に、固溶Ｓが実質的に存在しないことを特徴とする快削
   性低熱膨張鋳物用合金。
4. 【請求項４】 更に他の元素としてＳｉ：０．３〜１．
   ０％を含むものである請求項1〜３のいずれかに記載の
   快削性低熱膨張鋳物用合金。
5. 【請求項５】 中空部を有する薄物大型鋳物の鋳造に使
   用されるものである請求項１〜４のいずれかに記載の快
   削性低熱膨張鋳物用合金。