JP2004115905A - Low thermal expansion alloy, and low thermal expansion alloy sheet - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張合金と、その低熱膨張合金より成る低熱膨張合金板、更に該低熱膨張合金板を用いたセラミックス材料との接合用の低熱膨張合金板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
低熱膨張合金は、例えばセラミックス材料と接合する材料を始めとして、シャドウマスク用材料、リードフレーム材料、架空送電線の芯線等、種々の用途に使用され、形状も板材、線材と言うように様々な形状に加工されて用いられている。
中でも、Fe−Ni−Co系合金は、その優れた低熱膨張特性を有していることが知られており、31Ni−5Co−Feのスーパーインバーと称される合金や、29Ni−17Co−Feのコバールと称される合金、他にも本願出願人も多くの提案を行ってきた。(例えば、特許文献1参照。)
【0003】
【特許文献1】
特開平6−279945号公報(請求項1の化学組成)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献1に開示される合金は、低熱膨張特性と高強度特性を併せ持った架空送電線の芯線に最適なものを提案したものである。
ところで、合金の特性は化学組成のみで決定付けられるものではなく、金属組織の違いによってもその特性は大きく変化する。このことは、Fe−Ni−Co系合金にも当てはめることができ、例えば特許文献1に開示される合金は、オーステナイトとマルテンサイト組織の混合組織とすることで、低熱膨張特性をある程度犠牲にする一方で、架空送電線への適用に耐え得る高強度化を図っている。
一方、同じFe−Ni−Co系合金でも高強度化の要求が上述の架空送電線まで求められない、例えばコバールやスーパーインバーでは金属組織はオーステナイト単相組織である。これは、オーステナイト組織とすることで常温からせいぜい100℃や200℃までの低温域での熱膨張係数を低めるためである。
つまり、Fe−Ni−Co系合金では、熱膨張係数、機械的特性等は金属組織の変化によって、全く異なる特性を有する合金となる。
【0005】
ところで、上記のオーステナイト単相組織として、熱膨張係数を低くしたFe−Ni−Co系合金においては、その低熱膨張特性を利用して、例えば熱膨張係数の低いセラミックス材料と接合され、例えば800℃までの高温環境下で使用される用途があるが、低熱膨張特性が800℃を越える温度域まで持続されるのであれば、更に用途の拡大が期待できる。
セラミックス材料には、優れた耐熱性や、高温下での耐磨耗性を示すものが多い。しかし、靭性や電気伝導性などの特性に関しては、一般に金属材料に対して大きく劣る。
従って、セラミックス材料の長所と金属の長所を併せ持つ材料(部材)があれば、高温環境下で用いることのできる機能性部材として、その工業的価値は極めて高い。そのような部材として、金属/セラミックス材料の接合部材が考えられる。
【0006】
しかし、金属とセラミックス材料を接合した部材を高温環境で使用すると、両者の熱膨張差に起因して接合部に熱応力が発生し、熱サイクルを受ける過程において、接合部の破壊が起こってしまう。使用される環境の温度差が大きい程、金属/セラミックス材料の熱膨張差も大きくなるため、接合部の破壊も生じ易くなる。
例えば、セラミックス材料との接合に用いられる低熱膨張合金として、インコロイ903(Fe−38Ni−15Co−3Nb−1.4Ti−0.7Al合金)、インコロイ904(Fe−32.5Ni−14.5Co−2.3Ti−0.8Al合金)等の市販合金や、特開平4−218642号に開示されるFe−(20〜32)Ni−(16〜30)Co−(0.5〜2.5)Ti−(3.0〜6.0)Nbを主成分とする合金等が知られている。
【0007】
しかし、これらの合金はせいぜい800℃以下で使用されること、及び低熱膨張特性と合わせて高強度を得ることを狙ってγ’相の析出強化を図るためにAl、Ti、Nb等の元素が添加されている。これら合金の熱膨張曲線の傾きが変位する温度(TA)は必ずしも高くないので、例えば1000℃までの高温においてはセラミックス材料との熱膨張差はまだ大きいという問題があった。
本発明の目的は、例えば1000℃までのセラミックス材料との熱膨張係数の整合性を最適化可能な低熱膨張合金と、その低熱膨張合金より成る低熱膨張合金板、更に該低熱膨張合金板を用いたセラミックス材料との接合用の低熱膨張合金板を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、例えばセラミックス材料との熱膨張係数の整合性を最適化可能な低熱膨張合金の使用を検討した。その結果、Fe、Ni、Coを基本構成元素とする合金であれば、合金のTA、及びTAから低温側の熱膨張係数α1とTAから1000℃の熱膨張係数α2との比α2/α1を独立して制御することが可能であり、これによって、広い温度範囲にわたってセラミックス材料との熱膨張差を極めて小さくできることを見出し、本発明に至ったものである。
【0009】
即ち本発明は、質量%で、C:0.06%未満、Ni:20%以上、Co:27%以上、且つ(Ni+Co):50%以上70%以下を含有し、その他の元素の合計量は2.0%以下、残部Feから成るオーステナイト単相組織を有する合金であって、30℃から熱膨張曲線の傾きの変位点(TA)までの平均熱膨張係数α1と、TAから1000℃までの平均熱膨張係数α2との比α2/α1が2.1以下であり、TAが500〜750℃である低熱膨張合金である。
また本発明は、上述の低熱膨張合金を用いてなる低熱膨張合金板であって、該低熱膨張合金板は30℃〜1000℃までの平均熱膨張係数が9.0×10− 6/℃から13.0×10− 6/℃である低熱膨張合金板である。
また、上述の本発明の低熱膨張合金板は、セラミックス材料との接合用に用いられるセラミックス材料との接合用の低熱膨張合金板である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳しく説明する。なお、特に記載のない限り本発明では元素量を質量%として記している。
C:0.06%未満
Cは溶解時の脱酸元素として重要であり、また、オーステナイト相を安定化する作用をも有する元素であり、少量の添加が許容される。しかし、0.06%以上含有すると黒鉛やセメンタイトが熱的に安定化するため、これらが析出することが懸念される。これらが熱サイクル中に析出すると、熱膨張特性が変化して接合部で熱応力が発生する原因となったり、オーステナイト相が不安定化して常温以下での変形によって容易にマルテンサイト変態を起こしやすくなったりすることが心配される。このため、Cは0.06%以上含有させてはならない。好ましい上限値は0.02%であり、更に望ましくは0.01%である。なお、望ましいCの下限は0.002%である。
【0011】
Ni:20%以上
Niは強磁性元素であり、本発明合金を構成する上で最も重要な元素の一種である。Niを添加することにより、マルテンサイト変態温度が下がってオーステナイト相が安定化する。この点において、セラミックス材料との接合体とした場合に十分な効果を得るために、Ni含有量は20%以上が必要である。このNiの効果をより確実に得るための好ましい下限値は22%であり、更に望ましくは23%である。
【0012】
Co:27%以上
CoはFe及びNiと同様に強磁性元素であり、TAを高める効果が大きいので本発明合金を構成する上で最も重要な元素の一種である。この点において、セラミックス材料との接合体とした場合に十分な効果を得るために、Co含有量は27%以上が必要である。
このCoの効果をより確実に得るための好ましい下限値は30%であり、更に望ましくは33%である。
なお、本発明で言う熱膨張曲線の傾きの変位点(TA)とは、常温から昇温したときに描かれる熱膨張曲線が、その合金のキュリー温度近傍において、強磁性の消失にともなって傾きを増加させ始める点として定義するものである。
【0013】
(Ni+Co):50%以上70%以下
本発明合金においては、上述したNi及びCoの含有量を単独で調整するだけでなく、(Ni+Co)量をも適切に制御することが重要である。
本発明合金のα2/α1は、主として(Ni+Co)量に依存する。本発明合金が、特に1000℃という高温においてまで、セラミックス材料と良好な接合性を保つためには、α2/α1値を小さく保つ必要がある。
α2/α1値が大きすぎると、30℃から1000℃の温度サイクル過程において、セラミックス材料の熱膨張曲線と大きくかけ離れる領域が発生する。このような領域においては、両者の熱膨張差に起因して、接合部に大きな熱応力が生じて破壊が起こってしまう。これより、α2/α1値を小さくするには、(Ni+Co)量を調整する必要があり、そのための下限は50%以上が必要である。
また、本発明ではこのNiとCo量を調整して、α2/α1値を2.1以下とする必要がある。そのためには、NiとCo総量の調整の他、後述する金属組織の調整も重要である。α2/α1値が2.1を超えると、例えばセラミックス材料との接合性が保てなくなるため、本発明ではα2/α1値を2.1以下とした。望ましくは1.7以下であり、可能な限り1に近づけるのが良い。
【0014】
また、(Ni+Co)量は、本合金のTAの値にも影響を及ぼす。即ち、(Ni+Co)量の増加につれて、TAはおおよそ増加する傾向を示す。
しかし、TAを500℃未満に持つような合金は、TA以下の熱膨張係数が小さいために、低温域での本発明合金とセラミックス材料の熱膨張係数差が大きくなる。一方、TAが750℃を超える合金では、TA以下においても熱膨張係数が大きい。
そのため、特にTAより高温域における熱膨張差が非常に大きくなってしまい、合金/セラミックス材料の接合部分に熱応力が蓄積されて破壊が起きてしまう。従って、TAは500〜750℃とする必要がある。
このTA及び上述のα2/α1値を適正な範囲にするためには、(Ni+Co)量の範囲は50〜70%でなければならない。より好ましくは54〜64%であり、更に望ましくは58〜62%の範囲である。
そして、この範囲に調整した上で、後述する金属組織の調整を図るのである。
【0015】
本発明で規定する低熱膨張合金には、30℃から例えば1000℃までの高温の熱サイクル環境にて使用される際に、セラミックス材料との接合部分で大きな熱応力を発生させない範囲において、上記したC、Ni、Co及び残部のFe以外に、以下の元素を存在させることができる。
Mn:<1.0%、Si:<0.5%、P:<0.1%、S:<0.1%、Mg:<0.08%、Al:<0.8%、N:<0.1%、Mo:<1.0%、(Ti+Nb+V+Ta+Hf+Zr):<0.1%
但し、上記した元素は、本発明合金とセラミックス材料を接合した部材を、例えば30℃から1000℃までの高温の熱サイクル環境にて使用する際、接合部分で大きな熱応力を発生させない範囲で存在させることができるものである。
これらのその他の元素は、2.0%を超えると、固溶強化によって強度が上昇して変形しにくくなり、熱膨張差による応力がセラミックス材料側により多くかかってしまい、セラミックス材料との接合界面が剥離したり、セラミックス材料を破壊させたりする恐れがあることから、これらのその他元素の合計量は2.0%以下にする必要がある。
【0016】
次に、本発明ではオーステナイト単相組織を規定した。これは、温度サイクル環境下においても安定した低熱膨張特性を得るためである。熱処理などの影響により、他の結晶構造を有する相や炭化物が発生すると、熱膨張係数が増大し、合金/セラミックス材料接合部分に大きな熱応力が発生してしまうだけでなく、上述のα2/α1値及びTAが本発明で規定する範囲から外れてしまう。そのため、本発明では、上述の化学組成に加えて金属組織の調整も重要となる。
なお、本発明で言うオーステナイト単相組織とは、素材構成相のうち、オーステナイト相が体積分率で99%以上を占める組織のことを示し、オーステナイト単相組織となっているか否かはエックス線回折装置において概略把握することが可能である。
【0017】
上述したように、本発明合金は、30℃から1000℃までの熱膨張特性を制御することが可能なものであるが、本発明合金をセラミックス材料と接合させて使用する場合には、セラミックス材料の熱膨張係数との整合性が重要である。
また、その時にはセラミックス材料の形状に合わせて形状を加工すると良い。低熱膨張合金と接合するセラミックス材料は、板状の形状を有するものが多く、これに合わせて接合性を高めるために本発明合金を板状に加工すると良い。
本発明合金では、上述したように適正な化学組成によって、例えば1000℃までの高温域までの熱膨張係数を調整することが可能である。この時の本発明合金板の30℃から1000℃までの平均熱膨張係数の範囲は、9.0×10−6/℃から13.0×10−6/℃であり、この範囲であればセラミックス材料との良好な熱膨張係数の整合性が得られる。
この本発明合金板が有する熱膨張特性に最適なセラミックス材料としては、例えばジルコニアが挙げられる。このジルコニアとの更に良好な接合性を得るための熱膨張係数としては、9.5×10−6/℃から12.5×10−6/℃であり、望ましくは10.0×10−6/℃から12.0×10−6/℃である。
【0018】
以上のように、本発明の低熱膨張合金とセラミックス材料との組合せによる接合体では、1000℃までの高温領域で使用される用途や、あるいは常温と1000℃までの高温領域を昇温/降温される熱サイクルを受けるような用途に好適となる。
この場合、低熱膨張合金の形状は線材でも板材でも、特に限定する物ではないが、上述のように板材とすると、その板材表面にセラミックス材料を固定することもできる。例えば、半導体装置の基板材料や自動車や航空機等のエンジン部材、更には固体酸化物型燃料電池などの発電プラント他のエネルギー関連部材等への用途拡大を図ることが可能である。
【0019】
【実施例】
以下に、実施例として本発明を更に詳しく説明する。
真空溶解により表1の組成の合金を作製した。表1に示した”Others total”は、Fe、Ni、Co、C以外の、全ての元素の合計量であって、表1に示した以外の元素をも含めた量である。
【0020】
【表1】
【0021】
上記のNo.1〜7の合金を熱間鍛造後、熱間圧延を行なって厚さ12mmの板材とした。その得られた板材に800℃×30分で焼鈍を行ない、空冷した。この板材料より、長さ20mmの熱膨張測定試験片を採取し、昇温速度10℃/分で、SiO2の標準試料との比較測定を行う示差膨張測定方式により、30℃から1000℃までの昇温過程における熱膨張曲線を作成した。
それぞれの合金から得られた熱膨張曲線を図1と図2に示した。図中に示した点線は、それぞれ熱膨張係数9.0×10−6/℃及び13.0×10−6/℃の熱膨張曲線である。表2に、これらの熱膨張曲線より求めたTAとα2/α1の値も記す。
また、熱膨張測定試験片を採取した同一の板材から、エックス線回折用試験片も採取し、オーステナイト相が体積分率で99%以上を占める単相組織となっていることを確認した。
【0022】
【表2】
【0023】
図1及び2、表2の結果から、No.1においては、合金組成、(Ni+Co)量、TA、α2/α1とも本発明範囲であり、更に30℃から1000℃までの平均熱膨張係数α30 − 1000 ℃も本発明範囲内にある。この結果、熱膨張曲線は点線内に収まり、この範囲に熱膨張曲線をもつセラミックス材料との熱膨張差を小さくすることが可能である。No.2、3も本発明合金であり、No.1と同様の結果が得られている。
一方、No.4、6は、Co量と(Ni+Co)量がともに低く、またα2/α1も大きな値を示す。この時の熱膨張曲線は図2の如くであり、本発明指定のセラミックス材料とは熱膨張特性が大きく異なっている。
No.5は、(Ni+Co)量、TAとも本発明範囲を大きくはずれている。これにより、熱膨張曲線の傾き(熱膨張係数)は図2のように大きくなり、本発明指定のセラミックス材料と接合部材を形成しようとした場合には、大きな熱応力が発生してしまうことになる。
No.7は、(Ni+Co)量がわずかに低いだけでなく、更に過剰のTiとNbが添加されている。このため、TAは、Ti、Nbを含有しない同組成のものより更に100℃以上低くなっており、1000℃までの広い温度領域において、セラミックス材料の熱膨張と整合性を持たせることが極めて困難となる。
以上の結果から、本発明の低熱膨張合金を用いた低熱膨張合金板は、セラミックス材料との熱膨張係数の整合性が図れているのが分かり、低熱膨張合金板を用いたセラミックス材料との接合用の低熱膨張合金板として好適である。
【0024】
【発明の効果】
本発明の低熱膨張合金は、例えばセラミックス材料との熱膨張係数の整合性を最適化可能なものであり、その低熱膨張合金を低熱膨張合金板として、更に低熱膨張合金板を用いたセラミックス材料との接合用合金板とすると、例えば1000℃までの高温領域で使用される用途や、あるいは常温と1000℃までの高温領域を昇温/降温される熱サイクルを受けるような用途に好適となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱膨張曲線を示す図である。
【図2】比較例の熱膨張曲線を示す図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a low-thermal-expansion alloy, a low-thermal-expansion alloy plate made of the low-thermal-expansion alloy, and a low-thermal-expansion alloy plate for joining a ceramic material using the low-thermal-expansion alloy plate.
[0002]
[Prior art]
Low-thermal-expansion alloys are used for various purposes such as materials for joining with ceramic materials, shadow mask materials, lead frame materials, core wires of overhead power transmission lines, and various shapes such as plate materials and wire materials. It is used after being processed into a shape.
Among them, Fe-Ni-Co alloys are known to have excellent low thermal expansion characteristics, and are referred to as 31Ni-5Co-Fe super-invar alloys and 29Ni-17Co-Fe alloys. The present applicant has also made many proposals for an alloy called Kovar. (For example, refer to Patent Document 1.)
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-6-279945 (Chemical composition of claim 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The alloy disclosed in Patent Document 1 described above proposes an alloy that is optimal for a core wire of an overhead power transmission line having both low thermal expansion characteristics and high strength characteristics.
By the way, the characteristics of an alloy are not determined only by the chemical composition, but the characteristics greatly change depending on the difference in the metal structure. This can be applied to Fe—Ni—Co alloys. For example, the alloy disclosed in Patent Document 1 sacrifice low thermal expansion characteristics to some extent by forming a mixed structure of austenite and martensite. On the other hand, high strength that can withstand application to overhead transmission lines is being achieved.
On the other hand, even with the same Fe-Ni-Co-based alloy, a demand for high strength is not required up to the above-mentioned overhead transmission line. For example, in Kovar or Super Invar, the metal structure is an austenitic single phase structure. This is because the austenite structure reduces the coefficient of thermal expansion in a low temperature range from room temperature to 100 ° C. or 200 ° C. at most.
That is, the Fe-Ni-Co alloy has an alloy having completely different properties such as a coefficient of thermal expansion and mechanical properties due to a change in the metal structure.
[0005]
By the way, in the Fe-Ni-Co-based alloy having a low coefficient of thermal expansion as the austenitic single phase structure, it is bonded to, for example, a ceramic material having a low coefficient of thermal expansion by utilizing its low coefficient of thermal expansion. Although there is a use in a high temperature environment of up to 800 ° C., if the low thermal expansion property is maintained up to a temperature range exceeding 800 ° C., further expansion of the use can be expected.
Many ceramic materials exhibit excellent heat resistance and abrasion resistance at high temperatures. However, properties such as toughness and electrical conductivity are generally inferior to metal materials.
Therefore, if there is a material (member) having both the advantages of a ceramic material and the advantage of a metal, the industrial value is extremely high as a functional member that can be used in a high-temperature environment. As such a member, a joining member of a metal / ceramic material can be considered.
[0006]
However, when a member in which a metal and a ceramic material are joined is used in a high-temperature environment, thermal stress is generated in the joint due to a difference in thermal expansion between the two, and the joint is destroyed in a process of undergoing a thermal cycle. . The greater the temperature difference in the environment in which it is used, the greater the difference in thermal expansion between the metal / ceramic material and the more likely it is for the joint to break.
For example, as a low thermal expansion alloy used for bonding with a ceramic material, Incoloy 903 (Fe-38Ni-15Co-3Nb-1.4Ti-0.7Al alloy) and Incoloy 904 (Fe-32.5Ni-14.5Co-2) are used. Commercially available alloys such as Fe- (20-32) Ni- (16-30) Co- (0.5-2.5) Ti disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-218642. Alloys containing-(3.0-6.0) Nb as a main component are known.
[0007]
However, these alloys are used at most at 800 ° C. or lower, and elements such as Al, Ti, and Nb are used to strengthen the precipitation of the γ ′ phase in order to obtain high strength in combination with low thermal expansion characteristics. Has been added. Since the slope of the thermal expansion curves of these alloys is the temperature at which displacement (T A) is not necessarily high, the difference in thermal expansion between the ceramic material at high temperatures, for example up to 1000 ° C. has a problem that still greater.
An object of the present invention is to use a low-thermal-expansion alloy capable of optimizing the matching of a thermal expansion coefficient with a ceramic material up to, for example, 1000 ° C., a low-thermal-expansion alloy plate made of the low-thermal-expansion alloy, and further using the low-thermal-expansion alloy plate. To provide a low-thermal-expansion alloy plate for joining with a ceramic material.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied the use of a low-thermal-expansion alloy that can optimize the matching of the thermal expansion coefficient with, for example, a ceramic material. As a result, in the case of an alloy containing Fe, Ni, and Co as basic constituent elements, the T A of the alloy and the coefficient of thermal expansion α 1 on the low temperature side from T A and the coefficient of
[0009]
That is, the present invention contains C: less than 0.06%, Ni: 20% or more, Co: 27% or more, and (Ni + Co): 50% to 70% by mass, and the total amount of other elements 2.0% or less, an alloy having an austenitic single phase structure consisting of the balance Fe, and the average thermal expansion coefficient alpha 1 to the slope of the displacement point of the thermal expansion curve (T a) from 30 ° C., from T a the ratio of the average thermal expansion coefficient alpha 2 to 1000 ℃ α 2 / α 1 is 2.1 or less, T a is the low thermal expansion alloy which is a 500 to 750 ° C..
The present invention also provides a low thermal expansion alloy plate made by using a low thermal expansion alloy described above, the low thermal expansion alloy plate has an average thermal expansion coefficient of up to 30 ℃ ~1000 ℃ 9.0 × 10 - from 6 / ° C. 13.0 × 10 - is 6 / ° C. a low thermal expansion alloy plate.
Further, the low thermal expansion alloy plate of the present invention described above is a low thermal expansion alloy plate for joining with a ceramic material used for joining with a ceramic material.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the present invention, the amounts of elements are described as mass% unless otherwise specified.
C: less than 0.06% C is important as a deoxidizing element at the time of dissolution, and is also an element having an effect of stabilizing the austenite phase, and a small amount of addition is permissible. However, when the content is 0.06% or more, graphite and cementite are thermally stabilized, and thus there is a concern that these may be precipitated. If these precipitate during the thermal cycle, the thermal expansion characteristics change and cause thermal stress at the joint, or the austenite phase becomes unstable and easily transforms to martensite by deformation at room temperature or lower. I am worried that it will be lost. For this reason, C must not be contained at 0.06% or more. A preferred upper limit is 0.02%, and more preferably 0.01%. Note that a desirable lower limit of C is 0.002%.
[0011]
Ni: 20% or more Ni is a ferromagnetic element and is one of the most important elements for constituting the alloy of the present invention. The addition of Ni lowers the martensitic transformation temperature and stabilizes the austenite phase. In this regard, the Ni content needs to be 20% or more in order to obtain a sufficient effect when a joined body with a ceramic material is obtained. A preferred lower limit for more reliably obtaining the effect of Ni is 22%, and more preferably 23%.
[0012]
Co: 27% or more Co are ferromagnetic element similar to the Fe and Ni, which is a kind of the most important elements in constructing a large effect as the invention alloy to enhance T A. In this regard, the Co content needs to be 27% or more in order to obtain a sufficient effect when a joined body with a ceramic material is obtained.
A preferable lower limit for more surely obtaining the effect of Co is 30%, and more preferably 33%.
The displacement point (T A ) of the slope of the thermal expansion curve referred to in the present invention means that the thermal expansion curve drawn when the temperature is raised from room temperature is accompanied by the disappearance of ferromagnetism near the Curie temperature of the alloy. It is defined as the point where the slope begins to increase.
[0013]
(Ni + Co): 50% or more and 70% or less In the alloy of the present invention, it is important to appropriately control not only the above-mentioned contents of Ni and Co but also the amount of (Ni + Co).
Α 2 / α 1 of the alloy of the present invention mainly depends on the amount of (Ni + Co). In order for the alloy of the present invention to maintain good bondability with a ceramic material, particularly at a high temperature of 1000 ° C., it is necessary to keep the α 2 / α 1 value small.
If the value of α 2 / α 1 is too large, a region is generated which is significantly different from the thermal expansion curve of the ceramic material during the temperature cycle from 30 ° C. to 1000 ° C. In such a region, a large thermal stress is generated in the joint due to a difference in thermal expansion between the two, and a break occurs. Thus, in order to reduce the value of α 2 / α 1 , it is necessary to adjust the amount of (Ni + Co), and the lower limit must be 50% or more.
In the present invention, it is necessary to adjust the amount of Ni and Co so that the α 2 / α 1 value is 2.1 or less. For that purpose, in addition to the adjustment of the total amount of Ni and Co, adjustment of a metal structure described later is also important. If the value of α 2 / α 1 exceeds 2.1, for example, the bondability with a ceramic material cannot be maintained. Therefore, in the present invention, the value of α 2 / α 1 is set to 2.1 or less. It is desirably 1.7 or less, and it is better to approach 1 as much as possible.
[0014]
Further, (Ni + Co) weight also affects the value of T A of the alloy. That is, with increasing (Ni + Co) weight, T A is a tendency to increase roughly.
However, alloys such as with T A below 500 ° C., in order coefficient of thermal expansion of less T A is small, the thermal expansion coefficient difference of the present invention alloy and ceramic material in the low-temperature region increases. On the other hand, in the alloy T A exceeds 750 ° C., thermal expansion coefficient is greater below T A.
Therefore, it will particularly become thermal expansion difference is very large in a high temperature range than T A, alloy / thermal stress in the bonding portions of the ceramic material will happening disrupted stored. Therefore, the T A is required to be 500 to 750 ° C..
To this T A and a proper range of α 2 / α 1 values described above should be 50% to 70% range of (Ni + Co) weight. It is more preferably in the range of 54 to 64%, and still more preferably in the range of 58 to 62%.
Then, after adjusting to this range, the metal structure to be described later is adjusted.
[0015]
The low thermal expansion alloy specified in the present invention has the above-mentioned range as long as it does not generate a large thermal stress at the joint with the ceramic material when used in a high-temperature thermal cycle environment from 30 ° C. to, for example, 1000 ° C. In addition to C, Ni, Co and the balance of Fe, the following elements can be present.
Mn: <1.0%, Si: <0.5%, P: <0.1%, S: <0.1%, Mg: <0.08%, Al: <0.8%, N: <0.1%, Mo: <1.0%, (Ti + Nb + V + Ta + Hf + Zr): <0.1%
However, the above-mentioned elements exist in a range that does not generate a large thermal stress at the joint when a member obtained by joining the alloy of the present invention and the ceramic material is used in a high-temperature thermal cycle environment of, for example, 30 ° C. to 1000 ° C. That can be done.
If these other elements exceed 2.0%, the strength increases due to solid solution strengthening, making it difficult to deform, and the stress due to the difference in thermal expansion is applied more to the ceramic material side, and the bonding interface with the ceramic material is increased. It is necessary that the total amount of these other elements be 2.0% or less, since there is a risk of peeling or destruction of the ceramic material.
[0016]
Next, in the present invention, an austenitic single phase structure was defined. This is to obtain a stable low thermal expansion characteristic even under a temperature cycle environment. When a phase or carbide having another crystal structure is generated due to the influence of heat treatment or the like, the thermal expansion coefficient is increased, and not only a large thermal stress is generated at the joint between the alloy and the ceramic material, but also the above α 2 / alpha 1 value and T A deviates from the range defined in the present invention. Therefore, in the present invention, adjustment of the metal structure is also important in addition to the above-described chemical composition.
The austenitic single phase structure referred to in the present invention refers to a structure in which the austenite phase accounts for 99% or more in volume fraction among the constituent phases of the material, and whether or not the austenitic single phase structure is determined by X-ray diffraction. It is possible to roughly grasp in the device.
[0017]
As described above, the alloy of the present invention can control the thermal expansion characteristics from 30 ° C. to 1000 ° C. However, when the alloy of the present invention is used by being joined to a ceramic material, Is important with the thermal expansion coefficient.
At that time, it is preferable to process the shape according to the shape of the ceramic material. Many ceramic materials to be joined with the low thermal expansion alloy have a plate-like shape, and the alloy of the present invention is preferably processed into a plate-like shape in order to enhance the joining property.
In the alloy of the present invention, as described above, it is possible to adjust the coefficient of thermal expansion up to a high temperature range of, for example, 1000 ° C. by an appropriate chemical composition. At this time, the range of the average coefficient of thermal expansion from 30 ° C. to 1000 ° C. of the alloy sheet of the present invention is 9.0 × 10 −6 / ° C. to 13.0 × 10 −6 / ° C. Good matching of the coefficient of thermal expansion with the ceramic material is obtained.
Zirconia is an example of a ceramic material that is optimal for the thermal expansion characteristics of the alloy plate of the present invention. The coefficient of thermal expansion for obtaining better bondability with zirconia is from 9.5 × 10 −6 / ° C. to 12.5 × 10 −6 / ° C., preferably 10.0 × 10 −6 / ° C. / ° C to 12.0 × 10 −6 / ° C.
[0018]
As described above, in the joined body of the combination of the low thermal expansion alloy and the ceramic material of the present invention, the use in the high temperature region up to 1000 ° C. or the temperature increase / decrease in the high temperature region up to room temperature and 1000 ° C. This is suitable for applications that undergo a thermal cycle.
In this case, the shape of the low-thermal-expansion alloy is not particularly limited, whether it is a wire or a plate. However, if the low-thermal-expansion alloy is a plate as described above, a ceramic material can be fixed to the surface of the plate. For example, it is possible to expand applications to substrate materials for semiconductor devices, engine members for automobiles and airplanes, and further to energy-related members such as power generation plants such as solid oxide fuel cells.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
Alloys having the compositions shown in Table 1 were produced by vacuum melting. “Others total” shown in Table 1 is a total amount of all elements other than Fe, Ni, Co, and C, and is an amount including elements other than those shown in Table 1.
[0020]
[Table 1]
[0021]
The above No. After hot-forging the alloys Nos. 1 to 7, hot rolling was performed to obtain a sheet material having a thickness of 12 mm. The obtained sheet material was annealed at 800 ° C. for 30 minutes and air-cooled. From this plate material, a test piece for measuring thermal expansion having a length of 20 mm is taken, and from a temperature of 30 ° C. to 1000 ° C. by a differential expansion measuring method in which a comparative measurement with a standard sample of SiO 2 is performed at a heating rate of 10 ° C./min. A thermal expansion curve in the process of raising the temperature was prepared.
The thermal expansion curves obtained from each alloy are shown in FIGS. The dotted lines shown in the figure are the thermal expansion curves of the thermal expansion coefficients of 9.0 × 10 −6 / ° C. and 13.0 × 10 −6 / ° C., respectively. Table 2, also referred T A and alpha 2 / alpha 1 of the values determined from these thermal expansion curve.
In addition, a test piece for X-ray diffraction was also collected from the same plate from which the test piece for measuring thermal expansion was collected, and it was confirmed that the austenite phase had a single phase structure occupying 99% or more by volume fraction.
[0022]
[Table 2]
[0023]
From the results of FIGS. In 1, the alloy composition, (Ni + Co) weight, T A, alpha both 2 / alpha 1 is the range of the present invention, further the average thermal expansion coefficients from 30 ° C. to 1000 ℃ α 30 - 1000 ℃ also within the scope the present invention is there. As a result, the thermal expansion curve falls within the dotted line, and it is possible to reduce the difference in thermal expansion from the ceramic material having a thermal expansion curve in this range. No. Nos. 2 and 3 are also alloys of the present invention. The result similar to 1 is obtained.
On the other hand, No. In Nos. 4 and 6, both the Co amount and the (Ni + Co) amount are low, and α 2 / α 1 also shows a large value. The thermal expansion curve at this time is as shown in FIG. 2, and is significantly different from the ceramic material specified in the present invention in thermal expansion characteristics.
No. 5 is deviated larger (Ni + Co) weight, T A with the present invention range. As a result, the slope (coefficient of thermal expansion) of the thermal expansion curve becomes large as shown in FIG. 2, and a large thermal stress is generated when an attempt is made to form a joining member with the ceramic material specified in the present invention. Become.
No. No. 7 has not only a slightly lower (Ni + Co) content but also an excess of Ti and Nb. Thus, T A is, Ti, Nb and lower further 100 ° C. or higher than that of the same composition not containing, in a wide temperature range up to 1000 ° C., very be provided with thermal expansion and integrity of the ceramic material It will be difficult.
From the above results, it can be seen that the low thermal expansion alloy plate using the low thermal expansion alloy of the present invention achieves the consistency of the coefficient of thermal expansion with the ceramic material, and joining with the ceramic material using the low thermal expansion alloy plate It is suitable as a low thermal expansion alloy plate for use.
[0024]
【The invention's effect】
The low-thermal-expansion alloy of the present invention can optimize the matching of the coefficient of thermal expansion with, for example, a ceramic material. Is suitable for use in, for example, a high-temperature region up to 1000 ° C., or a use in which a heat cycle of raising and lowering the temperature between room temperature and a high-temperature region up to 1000 ° C. is adopted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a thermal expansion curve of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a thermal expansion curve of a comparative example.
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