JP2019163536A - Low thermal expansion alloy and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

To provide a low thermal expansion alloy having a low thermal expansion coefficient and high Young's modulus, and further having high strength and excellent ductility.SOLUTION: A low thermal expansion alloy has a chemical composition containing, in mass%, at least one selected from the group consisting of C: 0.20-2.00%, Mn: 0.05-2.00%, V: 0.80-10.00%, Ni: 30.00-40.00%, Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%, Co: 0-10.00%, and Cr: 0-3.00%, with the balance being Fe and impurities, and satisfies formula (1) and formula (2). In the low thermal expansion alloy, vanadium carbides constitute 2.5-12.5 vol.%; the vanadium carbides with an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 50/μmor more; and coarse vanadium carbides with an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more have an average equivalent circle diameter of less than 2.8 μm. 30.00≤Ni+Co≤40.00 (1), -0.50<V-50.94/12.01×C<2.00 (2).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、合金及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、低熱膨張合金及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an alloy and a manufacturing method thereof, and more particularly to a low thermal expansion alloy and a manufacturing method thereof.

低熱膨張合金として、インバー(商標)合金が知られている。インバー合金は、自発体積磁歪(インバー効果)により、室温〜300℃の範囲において、低い熱膨張係数を有する。そのため、熱の影響を受けても寸法が変化しにくい。インバー合金は、工作機械や精密測定機器等、高い寸法精度が求められる装置の部材に利用される。   Invar (trademark) alloy is known as a low thermal expansion alloy. Invar alloys have a low coefficient of thermal expansion in the range of room temperature to 300 ° C. due to spontaneous volume magnetostriction (Invar effect). Therefore, the dimensions are not easily changed even under the influence of heat. Invar alloys are used for members of devices that require high dimensional accuracy, such as machine tools and precision measuring instruments.

しかしながら、インバー合金は、熱膨張係数が小さい反面、ヤング率及び引張強度が低い。たとえば、ヤング率は140GPa程度であり、一般的な鋼の2/3程度と低い。したがって、剛性及び強度が求められる部材にインバー合金を使用しにくい。   However, the Invar alloy has a small coefficient of thermal expansion but a low Young's modulus and tensile strength. For example, Young's modulus is about 140 GPa, which is as low as about 2/3 of general steel. Therefore, it is difficult to use an Invar alloy for a member that requires rigidity and strength.

低い熱膨張係数を維持しつつ、高剛性又は高強度を有する低熱膨張合金が、特開2015−178672号公報(特許文献1)、及び、特開2017−172044号公報(特許文献2)で提案されている。   Low thermal expansion alloys having high rigidity or high strength while maintaining a low coefficient of thermal expansion are proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-178672 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-172444 (Patent Document 2). Has been.

特許文献1に記載された低熱膨張合金は、低い熱膨張係数及び高いヤング率を目的とする。この文献の低熱膨張合金は、質量%で、C:0.2〜2.0%、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.05〜2.0%、Al:0.01〜0.14%、V:0.8〜10.0%、Ni:30.0〜40.0%、Co:0〜10.0%、及び、Nb及びTiの少なくとも1種:0〜4.0%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、30.0≦Ni+Co≦40.0を満たす化学組成を有する。低熱膨張合金は、V、Nb及びTiのいずれかを含む特定炭化物を、体積率で2.5〜12.5%含有する。これにより、低い熱膨張係数及び高いヤング率を有する合金が得られ、実施例では、150〜171GPaのヤング率を実現している。   The low thermal expansion alloy described in Patent Document 1 aims at a low thermal expansion coefficient and a high Young's modulus. The low thermal expansion alloy of this document is mass%, C: 0.2-2.0%, Si: 0.05-1.0%, Mn: 0.05-2.0%, Al: 0.01 -0.14%, V: 0.8-10.0%, Ni: 30.0-40.0%, Co: 0-10.0%, and at least one of Nb and Ti: 0-4 0.0%, with the balance being Fe and impurities and having a chemical composition satisfying 30.0 ≦ Ni + Co ≦ 40.0. The low thermal expansion alloy contains a specific carbide containing any one of V, Nb, and Ti in a volume ratio of 2.5 to 12.5%. Thereby, the alloy which has a low thermal expansion coefficient and a high Young's modulus is obtained, and the Young's modulus of 150-171 GPa is implement | achieved in the Example.

特許文献2に記載された低熱膨張合金は、低い熱膨張係数、高いヤング率、及び、高い引張強度を目的とする。この文献の低熱膨張合金は、質量%で、C:0.2〜2.0%、Mn:0.05〜2.0%、V:0.8〜10.0%、Ni:30.0〜40.0%、Si:0.5%以下及びAl:0.1%以下からなる群から選択される1種以上、Co:0〜10.0%、及び、Cr:0〜3.0%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する。さらに、バナジウム炭化物を2.5〜12.5体積%含有し、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物を10個/μm2以上含有する。ここで、式(1):30.0≦Ni+Co≦40.0、式(2):−0.5<V−50.94/12.01×C<2.0である。これにより、低い低熱膨張係数、高いヤング率、及び、高い引張強度が得られ、実施例では、150〜168GPaのヤング率、及び、800〜910MPaの引張強度を実現している。 The low thermal expansion alloy described in Patent Document 2 aims at a low thermal expansion coefficient, a high Young's modulus, and a high tensile strength. The low thermal expansion alloy of this document is mass%, C: 0.2-2.0%, Mn: 0.05-2.0%, V: 0.8-10.0%, Ni: 30.0 ~ 10.0% selected from the group consisting of 40.0%, Si: 0.5% or less, and Al: 0.1% or less, Co: 0 to 10.0%, and Cr: 0 to 3.0 %, The balance is made of Fe and impurities, and has a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2). Furthermore, it contains 2.5 to 12.5% by volume of vanadium carbide and contains 10 vanadium carbides having an equivalent circle diameter of less than 200 nm / μm 2 or more. Here, Formula (1): 30.0 ≦ Ni + Co ≦ 40.0, Formula (2): −0.5 <V−50.94 / 12.01 × C <2.0. Thereby, a low low thermal expansion coefficient, a high Young's modulus, and a high tensile strength are obtained. In the examples, a Young's modulus of 150 to 168 GPa and a tensile strength of 800 to 910 MPa are realized.

特開2015−178672号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-178672 特開2017−172044号公報JP 2017-172044 A

E.A.Owen,E.L.Yates,and A.H.Sully:Proc.Phys.Soc.49,323(1937)E. A. Owen, E .; L. Yates, and A.A. H. Sully: Proc. Phys. Soc. 49,323 (1937) Eremenko V.N.,Kharkova A.M.,Velikanova T.Y.:Isothermal section of the vanadium−rhenium−carbon system at 1950 °C. Dopovidi Akademii Nauk Ukrains’koi RSR, Seriya A: Fiziko−Matematichni ta Tekhnichni Nauki 5 (1984) 83−85 (in Ukrainian)Eremenko V.E. N. , Kharkova A .; M.M. , Velikanova T .; Y. : Isolational section of the vanadium-rhenium-carbon system at 1950 ° C. Dopovidi Akademii Nauk Ukrains'koi RSR, Seriya A: Fiziko-Matemachini ta Tekhini Nauki 5 (1984) 83-85 (in Ukrainian)

特許文献1及び特許文献2に提案された低熱膨張合金は、低い熱膨張係数、及び、高いヤング率を有し、特許文献2に提案された低熱膨張合金はさらに、高い引張強度を有する。最近では、低い熱膨張係数及び高いヤング率を維持しつつ、さらに高強度の低熱膨張合金が求められている。また、最近では、低熱膨張合金に対して延性も求められている。   The low thermal expansion alloys proposed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 have a low coefficient of thermal expansion and a high Young's modulus, and the low thermal expansion alloy proposed in Patent Literature 2 further has a high tensile strength. Recently, there has been a demand for a low thermal expansion alloy having higher strength while maintaining a low thermal expansion coefficient and a high Young's modulus. Recently, ductility is also required for low thermal expansion alloys.

本開示の目的は、低い熱膨張係数及び高いヤング率を有し、さらに、高い強度及び優れた延性を有する低熱膨張合金を提供することである。   An object of the present disclosure is to provide a low thermal expansion alloy having a low coefficient of thermal expansion and a high Young's modulus, and further having high strength and excellent ductility.

本開示による低熱膨張合金は、
化学組成が、質量%で、
C:0.20〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
V:0.80〜10.00%、
Ni:30.00〜40.00%、
Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、
Co:0〜10.00%、
Cr:0〜3.00%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)及び式(2)を満たし、
前記低熱膨張合金中において、
バナジウム炭化物の体積率が2.5〜12.5%であり、
円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物が50個/μm2以上であり、
円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満である。
30.00≦Ni+Co≦40.00 (1)
−0.50<V−50.94/12.01×C<2.00 (2)
ここで、式(1)及び式(2)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
The low thermal expansion alloy according to the present disclosure is:
Chemical composition is mass%,
C: 0.20 to 2.00%
Mn: 0.05-2.00%
V: 0.80 to 10.00%,
Ni: 30.00-40.00%,
One or more selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%;
Co: 0 to 10.00%,
Cr: 0 to 3.00%, and
Balance: Fe and impurities,
Satisfying the equations (1) and (2),
In the low thermal expansion alloy,
The volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%,
Fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 50 pieces / μm 2 or more,
The average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more is less than 2.8 μm.
30.00 ≦ Ni + Co ≦ 40.00 (1)
−0.50 <V−50.94 / 12.01 × C <2.00 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbols of the formulas (1) and (2).

本開示による低熱膨張合金の製造方法は、
化学組成が、
質量%で、
C:0.20〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
V:0.80〜10.00%、
Ni:30.00〜40.00%、
Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、
Co:0〜10.00%、
Cr:0〜3.00%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)及び式(2)を満たす素材を1150〜1300℃に加熱した後、熱間鍛造して合金材を製造する熱間鍛造工程であって、前記熱間鍛造工程での累積圧下率を30.0%以上とし、前記累積圧下率が30.0%になるまでの1パスあたりの圧下率を5.0%以上とし、熱間鍛造中の前記素材の温度を900℃以上とする、熱間鍛造工程と、
前記熱間鍛造工程後の前記合金材に対して、1000〜1300℃で0.5時間以上保持する溶体化処理を実施する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の前記合金材に対して、20.0%以上の冷間加工率で冷間加工を実施する冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の前記合金材に対して、500〜800℃で0.5時間以上保持して時効熱処理を実施する時効熱処理工程とを備える。
A method for producing a low thermal expansion alloy according to the present disclosure includes:
The chemical composition is
% By mass
C: 0.20 to 2.00%
Mn: 0.05-2.00%
V: 0.80 to 10.00%,
Ni: 30.00-40.00%,
One or more selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%;
Co: 0 to 10.00%,
Cr: 0 to 3.00%, and
Balance: Fe and impurities,
A hot forging process in which an alloy material is manufactured by hot forging after heating a material satisfying the formula (1) and the formula (2) to 1150 to 1300 ° C., in the hot forging process The cumulative reduction rate is 30.0% or more, the reduction rate per pass until the cumulative reduction rate becomes 30.0% is 5.0% or more, and the temperature of the material during hot forging is 900 ° C. A hot forging process,
A solution treatment step for carrying out a solution treatment for holding at 1000 to 1300 ° C. for 0.5 hours or more with respect to the alloy material after the hot forging step;
A cold working step of performing cold working at a cold working rate of 20.0% or more on the alloy material after the solution treatment step;
An aging heat treatment step of performing an aging heat treatment by holding the alloy material after the cold working step at 500 to 800 ° C. for 0.5 hour or more.

本開示による低熱膨張合金は、低い熱膨張係数及び高いヤング率を有し、さらに、高い強度及び優れた延性を有する。本開示による低熱膨張合金の製造方法は、上述の構成を有する低熱膨張合金を製造できる。   The low thermal expansion alloy according to the present disclosure has a low coefficient of thermal expansion and a high Young's modulus, and further has high strength and excellent ductility. The low thermal expansion alloy manufacturing method according to the present disclosure can manufacture a low thermal expansion alloy having the above-described configuration.

図1は、本実施形態の低熱膨張合金の製造方法の各工程中のヒートパターンと、各工程後のミクロ組織観察写真の模式図とを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a heat pattern in each step of the method for producing a low thermal expansion alloy of the present embodiment and a schematic diagram of a microstructure observation photograph after each step. 図2は、本実施形態の製造工程中の熱間鍛造工程での圧下率及び累積圧下率を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the rolling reduction rate and the cumulative rolling reduction rate in the hot forging process during the manufacturing process of the present embodiment.

本発明者は、低熱膨張合金の熱膨張係数、ヤング率、引張強度、及び、延性について調査及び検討を行った。その結果、本発明者は次の知見を得た。   The inventor investigated and examined the thermal expansion coefficient, Young's modulus, tensile strength, and ductility of the low thermal expansion alloy. As a result, the present inventor obtained the following knowledge.

[熱膨張係数について]
Niは、合金の自発体積磁歪を高め、その結果、合金の熱膨張係数を下げる。Ni含有量が30.00〜40.00質量%であれば、合金の熱膨張係数が低くなる。さらに、CoはNiを代替可能である。つまり、Coも合金の自発体積磁歪を高め、その結果、合金の熱膨張係数を下げる。特に、化学組成が、質量%で、C:0.20〜2.00%、Mn:0.05〜2.00%、V:0.80〜10.00%、Ni:30.00〜40.00%、Si:0超〜0.50%及びAl:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、Co:0〜10.00%、Cr:0〜3.00%、及び、残部:Fe及び不純物、からなる合金において、さらに、式(1)を満たせば、合金の熱膨張係数が低くなる。
30.00≦Ni+Co≦40.00 (1)
ここで、式(1)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[About thermal expansion coefficient]
Ni increases the spontaneous volume magnetostriction of the alloy and, as a result, reduces the thermal expansion coefficient of the alloy. If Ni content is 30.00-40.00 mass%, the thermal expansion coefficient of an alloy will become low. Furthermore, Co can replace Ni. That is, Co also increases the spontaneous volume magnetostriction of the alloy and, as a result, reduces the thermal expansion coefficient of the alloy. In particular, the chemical composition is mass%, C: 0.20 to 2.00%, Mn: 0.05 to 2.00%, V: 0.80 to 10.00%, Ni: 30.00 to 40 One or more selected from the group consisting of 0.000%, Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%, Co: 0 to 10.00%, Cr: 0 to 3.00 %, And the balance: Fe and impurities, further satisfying the formula (1), the thermal expansion coefficient of the alloy becomes low.
30.00 ≦ Ni + Co ≦ 40.00 (1)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbol of the formula (1).

[ヤング率について]
合金のヤング率を高めるためには、周期表中の4〜6族の元素(以下、特定元素と称する)を利用することが有効である。特定元素が固溶状態で存在した場合、合金のヤング率は高くなる。しかしながら、特定元素の固溶量が一定量を超えると、合金の熱膨張係数が急激に増大する。一方で、特定元素を析出物と複合化させることでも合金のヤング率を高めることができる。しかしながら、この場合、析出物が熱膨張することにより、合金の熱膨張係数が増大してしまう。
[About Young's modulus]
In order to increase the Young's modulus of the alloy, it is effective to use an element of Group 4-6 in the periodic table (hereinafter referred to as a specific element). When the specific element exists in a solid solution state, the Young's modulus of the alloy becomes high. However, when the solid solution amount of the specific element exceeds a certain amount, the thermal expansion coefficient of the alloy increases rapidly. On the other hand, the Young's modulus of the alloy can also be increased by combining the specific element with the precipitate. However, in this case, the thermal expansion coefficient of the alloy increases due to thermal expansion of the precipitate.

そこで、本発明者は、これらの方法ではなく、熱膨張係数が低く、かつ、ヤング率の高い化合物を分散する方法により合金のヤング率を高めることを検討した。   Therefore, the present inventor has studied to increase the Young's modulus of the alloy not by these methods but by a method of dispersing a compound having a low coefficient of thermal expansion and a high Young's modulus.

バナジウム炭化物(VC)は、熱膨張係数が低く、かつ、ヤング率が高い。さらに、バナジウム炭化物は、溶解した合金が凝固する過程で容易に晶出又は析出する。したがって、本実施形態では、上記化学組成の合金のヤング率を高める化合物として、バナジウム炭化物(VC)を利用する。具体的には、化学組成が、質量%で、C:0.20〜2.00%、Mn:0.05〜2.00%、V:0.80〜10.00%、Ni:30.00〜40.00%、Si:0超〜0.50%及びAl:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、Co:0〜10.00%、Cr:0〜3.00%、及び、残部:Fe及び不純物、からなり、式(1)を満たす合金において、合金中のバナジウム炭化物(VC)を体積率で2.5〜12.5体積%とする。この場合、式(1)を満たす上記化学組成の合金において、ヤング率が高まる。   Vanadium carbide (VC) has a low coefficient of thermal expansion and a high Young's modulus. Further, the vanadium carbide easily crystallizes or precipitates in the process where the molten alloy solidifies. Therefore, in this embodiment, vanadium carbide (VC) is used as a compound that increases the Young's modulus of the alloy having the above chemical composition. Specifically, the chemical composition is mass%, C: 0.20 to 2.00%, Mn: 0.05 to 2.00%, V: 0.80 to 10.00%, Ni: 30. One or more selected from the group consisting of 00 to 40.00%, Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%, Co: 0 to 10.00%, Cr: 0 to 0 In an alloy consisting of 3.00% and the balance: Fe and impurities and satisfying the formula (1), the vanadium carbide (VC) in the alloy is made 2.5 to 12.5% by volume. In this case, the Young's modulus increases in the alloy having the above chemical composition that satisfies the formula (1).

[強度について]
式(1)を満たす上記化学組成の合金において、上述のとおり、ヤング率は、バナジウム炭化物の体積率と相関を有する。一方、式(1)を満たす上記化学組成の合金において、鋼中のバナジウム炭化物のうち、少なくとも円相当径が1.0μm以上の粗大なバナジウム炭化物は、合金の強度向上に寄与しにくい。一方、円相当径が200nm未満の微細なバナジウム炭化物は、合金の強度向上に強力に寄与する。したがって、円相当径が200nm未満の微細なバナジウム炭化物の個数密度(個/μm2)を増加させれば、強度が飛躍的に高まると考えられる。以下、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物を「微細バナジウム炭化物」ともいう。また、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物を「粗大バナジウム炭化物」という。なお、円相当径とは、後述するとおり、バナジウム炭化物の面積を円に換算したときの直径を意味する。
[Strength]
In the alloy having the chemical composition satisfying the formula (1), as described above, the Young's modulus has a correlation with the volume fraction of vanadium carbide. On the other hand, in the alloy having the chemical composition satisfying the formula (1), among the vanadium carbides in the steel, coarse vanadium carbides having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more are unlikely to contribute to the improvement of the strength of the alloy. On the other hand, fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm contributes strongly to improving the strength of the alloy. Therefore, if the number density (pieces / μm 2 ) of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is increased, the strength is considered to increase dramatically. Hereinafter, vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is also referred to as “fine vanadium carbide”. A vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more is referred to as “coarse vanadium carbide”. In addition, a circle equivalent diameter means the diameter when the area of vanadium carbide is converted into a circle as described later.

式(1)を満たす上記化学組成の合金中において、微細バナジウム炭化物の個数密度(個/μm2)を増加させるために、熱間加工後の合金に対して高温での溶体化処理を実施して合金中のバナジウム炭化物をある程度固溶して、その後、時効熱処理により、微細バナジウム炭化物を多数析出させることが考えられる。 In order to increase the number density of fine vanadium carbide (pieces / μm 2 ) in the alloy having the above chemical composition satisfying the formula (1), a solution treatment at a high temperature is performed on the alloy after hot working. It is conceivable that the vanadium carbide in the alloy is dissolved to some extent and then a large amount of fine vanadium carbide is precipitated by aging heat treatment.

しかしながら、バナジウム炭化物は高温においても安定な化合物である。そして、上述の化学組成の合金において、液体合金が鋳造工程において凝固する際に、晶出又は析出して粗大バナジウム炭化物が形成されている。そのため、通常、溶体化処理等の高温での熱処理においても、粗大バナジウム炭化物は合金中に固溶しにくい。そのため、溶体化処理後、時効熱処理を行っても、微細バナジウム炭化物が合金中に十分に析出しにくい。   However, vanadium carbide is a compound that is stable even at high temperatures. And in the alloy of the above-mentioned chemical composition, when a liquid alloy solidifies in a casting process, it crystallizes or precipitates and coarse vanadium carbide is formed. Therefore, normally, even in a heat treatment at a high temperature such as a solution treatment, coarse vanadium carbide is hardly dissolved in the alloy. Therefore, even if an aging heat treatment is performed after the solution treatment, the fine vanadium carbide is not easily precipitated in the alloy.

そこで、本発明者は、合金中に晶出又は析出した粗大バナジウム炭化物を、微細バナジウム炭化物が十分に析出する程度に、固溶させる方法について検討を行った。その結果、本発明者は、式(1)を満たす上記化学組成の合金中のV含有量及びC含有量を適切に調整することにより、溶体化処理によって、粗大なバナジウム炭化物の一部を固溶させることができることを見出した。具体的には、式(1)を満たす上記化学組成において、さらに、式(2)を満たすことにより、合金中に晶出又は析出した粗大なバナジウム炭化物の一部が、溶体化処理において固溶しやすくなる。その結果、その後の時効熱処理において、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物をある程度析出させることができる。
−0.50<V−50.94/12.01×C<2.00 (2)
式(2)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
Therefore, the present inventor has studied a method for dissolving the coarse vanadium carbide crystallized or precipitated in the alloy so that the fine vanadium carbide is sufficiently precipitated. As a result, the present inventor solidified a part of coarse vanadium carbide by solution treatment by appropriately adjusting the V content and the C content in the alloy having the above chemical composition satisfying the formula (1). It was found that it can be dissolved. Specifically, in the above chemical composition satisfying the formula (1), by further satisfying the formula (2), a part of coarse vanadium carbide crystallized or precipitated in the alloy is dissolved in the solution treatment. It becomes easy to do. As a result, in the subsequent aging heat treatment, fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm can be precipitated to some extent.
−0.50 <V−50.94 / 12.01 × C <2.00 (2)
The element content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbol of the formula (2).

[さらなる強度の上昇及び延性の検討]
しかしながら、式(1)及び式(2)を満たす化学組成の低熱膨張合金であっても、特許文献2に記載のとおり、円相当径が200nm未満の微細なバナジウム炭化物の個数密度は、10〜23個/μm2程度である。この場合、引張強度は最大でも910MPa程度にとどまる。
[Examination of further increase in strength and ductility]
However, even in a low thermal expansion alloy having a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), as described in Patent Document 2, the number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 10 to 10. It is about 23 / μm 2 . In this case, the tensile strength remains at about 910 MPa at the maximum.

そこで、本発明者は、さらなる強度の向上について検討を行った。上述のとおり、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金において、ヤング率に関しては、バナジウム炭化物の総体積率が強く影響する。一方で、強度に関しては、粗大バナジウム炭化物はほとんど影響せず、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度(個/μm2)が強く影響する。そこで、本発明者は、ヤング率を高めるバナジウム炭化物の総体積率が同じ場合であっても、微細なバナジウム炭化物の個数密度をさらに増加させることができれば、強度をさらに高めることができると考えた。 Therefore, the present inventor has examined further improvement in strength. As described above, in the alloy having the above chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), the total volume ratio of vanadium carbide strongly influences the Young's modulus. On the other hand, regarding the strength, coarse vanadium carbide hardly affects, and the number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm (pieces / μm 2 ) strongly influences. Therefore, the present inventor considered that even if the total volume fraction of vanadium carbide that increases the Young's modulus is the same, the strength can be further increased if the number density of fine vanadium carbide can be further increased. .

そこで、本発明者は、次の方法により、微細バナジウム炭化物の個数密度をさらに増加させることを考えた。溶体化処理後であって時効熱処理前に、冷間加工を実施して、時効熱処理前の合金に適度のひずみ(転位)を導入する。この場合、導入された転位は時効熱処理時のバナジウム炭化物の析出サイトとなる。そのため、時効熱処理により析出する微細バナジウム炭化物の個数密度を飛躍的に高めることができる。   Therefore, the present inventor considered to further increase the number density of fine vanadium carbide by the following method. Cold working is performed after the solution treatment and before the aging heat treatment, and an appropriate strain (dislocation) is introduced into the alloy before the aging heat treatment. In this case, the introduced dislocations become vanadium carbide precipitation sites during the aging heat treatment. Therefore, the number density of fine vanadium carbide precipitated by aging heat treatment can be dramatically increased.

そこで、上記検討結果に基づいて、冷間加工を実施して微細バナジウム炭化物の個数密度の増加を試みた。具体的には、溶体化処理後、冷間加工を実施し、冷間加工後に時効熱処理を実施して、低熱膨張合金を製造した。しかしながら、この場合、微細バナジウム炭化物の個数密度を増加させることはできるものの、低熱膨張合金の引張強度が低下し、かつ、延性が低下する場合があることがわかった。そこで、本発明者は、冷間加工を実施した場合に低熱膨張合金の引張強度及び延性が低下する原因について、さらに検討を行った。   Then, based on the said examination result, cold processing was implemented and the increase in the number density of fine vanadium carbide was tried. Specifically, after the solution treatment, cold working was performed, and after the cold working, an aging heat treatment was performed to produce a low thermal expansion alloy. However, in this case, it was found that although the number density of the fine vanadium carbide can be increased, the tensile strength of the low thermal expansion alloy is lowered and the ductility is sometimes lowered. Therefore, the present inventor further examined the cause of the decrease in tensile strength and ductility of the low thermal expansion alloy when cold working is performed.

検討の結果、引張強度の低下の原因は次のとおりと考えられた。式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金を鋳造する場合、鋳造時の凝固段階で柱状又は塊状の粗大バナジウム炭化物が晶出又は析出する。鋳造によりひとたび粗大バナジウム炭化物が生成すれば、溶体化処理において各粗大バナジウム炭化物の一部が固溶するものの、その固溶量には限界がある。つまり、鋳造によりひとたび粗大バナジウム炭化物が生成すれば、粗大バナジウム炭化物は(式(2)を満たすことにより多少は固溶するものの)そのサイズの大部分を維持する。この粗大バナジウム炭化物が合金中に残存した状態で、冷間加工を実施すれば、粗大バナジウム炭化物と母相との界面で微細な割れが生じると考えられる。そのため、冷間加工によりひずみを導入した後時効熱処理を実施し、微細バナジウム炭化物の個数密度を飛躍的に増加させた場合であっても、合金中に残存する粗大バナジウム炭化物が大きすぎれば、低熱膨張合金の引張強度及び延性が低下する。より具体的には、低熱膨張合金の伸び(破断伸び)を延性の指標とした場合、微細バナジウム炭化物の個数密度が十分であっても、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が大きすぎれば、低熱膨張合金の引張強度と伸びとの積が小さくなり、引張強度及び延性が低下してしまう。   As a result of the examination, the cause of the decrease in tensile strength was considered as follows. When casting an alloy having the above chemical composition that satisfies the formulas (1) and (2), columnar or massive coarse vanadium carbides crystallize or precipitate in the solidification stage during casting. Once coarse vanadium carbide is produced by casting, a part of each coarse vanadium carbide is dissolved in the solution treatment, but the amount of the solid solution is limited. That is, once coarse vanadium carbide is produced by casting, the coarse vanadium carbide retains most of its size (although it will dissolve somewhat by satisfying equation (2)). If cold working is performed with the coarse vanadium carbide remaining in the alloy, it is considered that fine cracks are generated at the interface between the coarse vanadium carbide and the parent phase. Therefore, even if the aging heat treatment is performed after introducing strain by cold working and the number density of fine vanadium carbide is increased dramatically, if the coarse vanadium carbide remaining in the alloy is too large, The tensile strength and ductility of the expanded alloy are reduced. More specifically, when the elongation (breaking elongation) of the low thermal expansion alloy is used as an index of ductility, even if the number density of fine vanadium carbide is sufficient, if the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide is too large, The product of the tensile strength and the elongation of the expanded alloy is reduced, and the tensile strength and ductility are reduced.

以上の検討に基づいて、本発明者は、低熱膨張合金の引張強度及び延性の両方を高めるためには、凝固時に生成される粗大バナジウム炭化物を熱間鍛造時に破砕して、粗大バナジウム炭化物のサイズを小さくすることが有効であると考えた。粗大バナジウム炭化物のサイズが小さくなれば、加工時において粗大バナジウムが割れの起点となるのを抑制することができる。その結果、引張強度及び延性の低下を抑制できる。   Based on the above examination, in order to increase both the tensile strength and ductility of the low thermal expansion alloy, the present inventor crushed coarse vanadium carbide produced during solidification during hot forging, and obtained the size of coarse vanadium carbide. I thought that it was effective to make it smaller. If the size of the coarse vanadium carbide is reduced, the coarse vanadium can be prevented from becoming the starting point of cracking during processing. As a result, a decrease in tensile strength and ductility can be suppressed.

そこで、製造方法の一例として、熱間鍛造工程において、累積圧下率が30.0%に至るまでの1パスあたりの圧下率を5.0%以上とすれば、凝固時に生成した粗大バナジウムを十分に破砕でき、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有し、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%の低熱膨張合金において、円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満となり、加工時において粗大バナジウムがクラックの起点となるのを十分に抑制できることを本発明者は見出した。さらに、冷間加工時の冷間加工率を20.0%以上とすることにより、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有し、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%の低熱膨張合金において、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上とすることができ、その結果、引張強度を高くすることができ、かつ、延性も高めることができることを見出した。なお、上述の製法例はあくまでも一例である。そのため、他の方法によって、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金において、バナジウム炭化物の総体積率を2.5〜12.5%とし、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物の個数密度を50個/μm2以上とし、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径を2.8μm未満としてもよい。 Therefore, as an example of the manufacturing method, if the rolling reduction rate per pass until the cumulative rolling reduction reaches 30.0% is set to 5.0% or more in the hot forging step, the coarse vanadium generated during solidification is sufficient. In a low thermal expansion alloy having a chemical composition satisfying formulas (1) and (2) and a total volume fraction of vanadium carbide of 2.5 to 12.5%, the equivalent circle diameter is 1.0 μm or more. The present inventors have found that the average equivalent circle diameter of the coarse vanadium carbide is less than 2.8 μm, and that the coarse vanadium can sufficiently suppress the starting point of cracks during processing. Furthermore, by setting the cold working rate during cold working to 20.0% or more, it has a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), and the total volume ratio of vanadium carbide is 2.5 to 2.5. In a 12.5% low thermal expansion alloy, the number density of vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm can be 50 pieces / μm 2 or more. As a result, the tensile strength can be increased and ductility can be increased. Also found that can be enhanced. In addition, the above-mentioned example of a manufacturing method is an example to the last. Therefore, the vanadium having the total volume fraction of vanadium carbide of 2.5 to 12.5% and the equivalent circle diameter of less than 200 nm in the alloy having the above chemical composition satisfying the formulas (1) and (2) by another method. The number density of carbides may be 50 / μm 2 or more, and the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide may be less than 2.8 μm.

以上の技術思想に基づいて完成した本実施形態による低熱膨張合金の要旨は次のとおりである。   The gist of the low thermal expansion alloy according to the present embodiment completed based on the above technical idea is as follows.

[1]の低熱膨張合金は、
化学組成が、質量%で、
C:0.20〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
V:0.80〜10.00%、
Ni:30.00〜40.00%、
Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、
Co:0〜10.00%、
Cr:0〜3.00%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)及び式(2)を満たし、
前記低熱膨張合金中において、
バナジウム炭化物の体積率が2.5〜12.5%であり、
円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物が50個/μm2以上であり、
円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満である。
30.00≦Ni+Co≦40.00 (1)
−0.50<V−50.94/12.01×C<2.00 (2)
ここで、式(1)及び式(2)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
The low thermal expansion alloy of [1]
Chemical composition is mass%,
C: 0.20 to 2.00%
Mn: 0.05-2.00%
V: 0.80 to 10.00%,
Ni: 30.00-40.00%,
One or more selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%;
Co: 0 to 10.00%,
Cr: 0 to 3.00%, and
Balance: Fe and impurities,
Satisfying the equations (1) and (2),
In the low thermal expansion alloy,
The volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%,
Fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 50 pieces / μm 2 or more,
The average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more is less than 2.8 μm.
30.00 ≦ Ni + Co ≦ 40.00 (1)
−0.50 <V−50.94 / 12.01 × C <2.00 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbols of the formulas (1) and (2).

[2]の低熱膨張合金は、[1]に記載の低熱膨張合金であって、
前記化学組成は、
Co:0.10〜10.00%を含有する。
The low thermal expansion alloy of [2] is the low thermal expansion alloy of [1],
The chemical composition is
Co: 0.10 to 10.00% is contained.

[3]の低熱膨張合金は、[1]又は[2]に記載の低熱膨張合金であって、
前記化学組成は、
Cr:1.00〜3.00%を含有する。
The low thermal expansion alloy according to [3] is the low thermal expansion alloy according to [1] or [2],
The chemical composition is
Cr: 1.00 to 3.00% is contained.

[4]の低熱膨張合金の製造方法は、
化学組成が、質量%で、
C:0.20〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
V:0.80〜10.00%、
Ni:30.00〜40.00%、
Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、
Co:0〜10.00%、
Cr:0〜3.00%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)及び式(2)を満たす素材を1150〜1300℃に加熱した後、熱間鍛造して合金材を製造する熱間鍛造工程であって、前記熱間鍛造工程での累積圧下率を30.0%以上とし、前記累積圧下率が30.0%になるまでの1パスあたりの圧下率を5.0%以上とし、熱間鍛造中の前記素材の温度を900℃以上とする、熱間鍛造工程と、
前記熱間鍛造工程後の前記合金材に対して、1000〜1300℃で0.5時間以上保持する溶体化処理を実施する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の前記合金材に対して、20.0%以上の冷間加工率で冷間加工を実施する冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の前記合金材に対して、500〜800℃で0.5時間以上保持して時効熱処理を実施する時効熱処理工程とを備える。
The method for producing the low thermal expansion alloy of [4]
Chemical composition is mass%,
C: 0.20 to 2.00%
Mn: 0.05-2.00%
V: 0.80 to 10.00%,
Ni: 30.00-40.00%,
One or more selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%;
Co: 0 to 10.00%,
Cr: 0 to 3.00%, and
Balance: Fe and impurities,
A hot forging process in which an alloy material is manufactured by hot forging after heating a material satisfying the formula (1) and the formula (2) to 1150 to 1300 ° C., in the hot forging process The cumulative reduction rate is 30.0% or more, the reduction rate per pass until the cumulative reduction rate becomes 30.0% is 5.0% or more, and the temperature of the material during hot forging is 900 ° C. A hot forging process,
A solution treatment step for carrying out a solution treatment for holding at 1000 to 1300 ° C. for 0.5 hours or more with respect to the alloy material after the hot forging step;
A cold working step of performing cold working at a cold working rate of 20.0% or more on the alloy material after the solution treatment step;
An aging heat treatment step of performing an aging heat treatment by holding the alloy material after the cold working step at 500 to 800 ° C. for 0.5 hour or more.

[5]の低熱膨張合金の製造方法は、[4]に記載の低熱膨張合金の製造方法であって、
前記化学組成は、
Co:0.10〜10.00%を含有する。
The method for producing a low thermal expansion alloy according to [5] is the method for producing a low thermal expansion alloy according to [4],
The chemical composition is
Co: 0.10 to 10.00% is contained.

[6]の低熱膨張合金の製造方法は、[4]又は[5]に記載の低熱膨張合金の製造方法であって、
前記化学組成は、
Cr:1.00〜3.00%を含有する。
The method for producing a low thermal expansion alloy according to [6] is the method for producing a low thermal expansion alloy according to [4] or [5],
The chemical composition is
Cr: 1.00 to 3.00% is contained.

以下、本実施形態の低熱膨張合金及び低熱膨張合金の製造方法について詳しく説明する。以下、化学組成における「%」は特に断りがない限り、質量%を意味する。   Hereinafter, the low thermal expansion alloy of this embodiment and the manufacturing method of the low thermal expansion alloy will be described in detail. Hereinafter, “%” in the chemical composition means mass% unless otherwise specified.

[化学組成]
本実施形態の低熱膨張合金の化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the low thermal expansion alloy of this embodiment contains the following elements.

C:0.20〜2.00%
炭素(C)は、バナジウム(V)と結合してバナジウム炭化物を形成する。バナジウム炭化物のヤング率は高い。さらに、バナジウム炭化物の熱膨張係数は低く、オーステナイトの半分程度である。したがって、バナジウム炭化物は、合金の熱膨張率の上昇を抑えつつ、ヤング率を高めることができる。C含有量が0.20%未満であれば、この効果が得られない。一方、C含有量が2.00%を超えれば、Cが母相であるオーステナイト中に固溶する。Cが母相に固溶すれば、熱膨張係数が増大してしまう。したがって、C含有量は0.20〜2.00%である。C含有量の好ましい下限は0.30%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.80%である。C含有量の好ましい上限は1.80%であり、さらに好ましくは1.60%であり、さらに好ましくは1.20%である。
C: 0.20 to 2.00%
Carbon (C) combines with vanadium (V) to form vanadium carbide. The Young's modulus of vanadium carbide is high. Furthermore, the thermal expansion coefficient of vanadium carbide is low, about half that of austenite. Therefore, vanadium carbide can increase the Young's modulus while suppressing an increase in the thermal expansion coefficient of the alloy. If the C content is less than 0.20%, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the C content exceeds 2.00%, C dissolves in the austenite which is the parent phase. If C dissolves in the matrix, the thermal expansion coefficient will increase. Therefore, the C content is 0.20 to 2.00%. The minimum with preferable C content is 0.30%, More preferably, it is 0.40%, More preferably, it is 0.80%. The upper limit with preferable C content is 1.80%, More preferably, it is 1.60%, More preferably, it is 1.20%.

Mn:0.05〜2.00%
マンガン(Mn)は不純物である硫黄(S)と結合し、合金の熱間加工性を改善する。Mn含有量が0.05%未満であれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が2.00%を超えれば、合金の自発体積磁歪が減少する。その結果、合金の熱膨張係数が高まる。したがって、Mn含有量は0.05〜2.00%である。Mn含有量の好ましい下限は0.06%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.15%である。Mn含有量の好ましい上限は1.70%であり、さらに好ましくは1.50%であり、さらに好ましくは1.00%である。
Mn: 0.05 to 2.00%
Manganese (Mn) combines with the impurity sulfur (S) to improve the hot workability of the alloy. If the Mn content is less than 0.05%, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Mn content exceeds 2.00%, the spontaneous volume magnetostriction of the alloy decreases. As a result, the thermal expansion coefficient of the alloy is increased. Therefore, the Mn content is 0.05 to 2.00%. The minimum with preferable Mn content is 0.06%, More preferably, it is 0.08%, More preferably, it is 0.15%. The upper limit with preferable Mn content is 1.70%, More preferably, it is 1.50%, More preferably, it is 1.00%.

V:0.80〜10.00%
バナジウム(V)は炭素(C)と結合してバナジウム炭化物として合金中に晶出又は析出する。これにより、合金の熱膨張係数の増加を抑えつつ、合金のヤング率を高めることができる。さらに、円相当径が200nmの微細なバナジウム炭化物として析出することにより、引張強度を高めることができる。V含有量が0.80%未満であれば、この効果が得られない。一方、V含有量が10.00%を超えれば、Vが母相に過剰に多く固溶し、その結果、合金の熱膨張係数が増大する。V含有量が10.00%を超えればさらに、バナジウム炭化物が粗大化し、その結果、合金の延性が低下する。したがって、V含有量は0.80〜10.00%である。V含有量の好ましい下限は1.00%であり、さらに好ましくは1.60%であり、さらに好ましくは3.20%である。V含有量の好ましい上限は9.00%であり、さらに好ましくは8.00%であり、さらに好ましくは6.00%である。
V: 0.80 to 10.00%
Vanadium (V) combines with carbon (C) and crystallizes or precipitates in the alloy as vanadium carbide. Thereby, the Young's modulus of the alloy can be increased while suppressing an increase in the thermal expansion coefficient of the alloy. Furthermore, by precipitating as fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 200 nm, the tensile strength can be increased. If the V content is less than 0.80%, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the V content exceeds 10.00%, V is excessively dissolved in the matrix phase, and as a result, the thermal expansion coefficient of the alloy increases. If the V content exceeds 10.00%, the vanadium carbide further coarsens, and as a result, the ductility of the alloy decreases. Therefore, the V content is 0.80 to 10.00%. The minimum with preferable V content is 1.00%, More preferably, it is 1.60%, More preferably, it is 3.20%. The upper limit with preferable V content is 9.00%, More preferably, it is 8.00%, More preferably, it is 6.00%.

Ni:30.00〜40.00%
ニッケル(Ni)は、合金の自発体積磁歪を高め、その結果、合金の熱膨張係数を下げる。Ni含有量が30.00%未満であれば、この効果が得られない。一方、Ni含有量が40.00%を超えれば、合金の熱膨張係数がかえって増大する。したがって、Ni含有量は30.00〜40.00%である。Ni含有量の好ましい下限は31.00%であり、さらに好ましくは32.00%であり、さらに好ましくは33.00%である。Ni含有量の好ましい上限は39.00%であり、さらに好ましくは38.00%であり、さらに好ましくは35.00%である。
Ni: 30.00-40.00%
Nickel (Ni) increases the spontaneous volume magnetostriction of the alloy and, as a result, reduces the thermal expansion coefficient of the alloy. If the Ni content is less than 30.00%, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Ni content exceeds 40.00%, the thermal expansion coefficient of the alloy increases on the contrary. Therefore, the Ni content is 30.00 to 40.00%. The minimum with preferable Ni content is 31.00%, More preferably, it is 32.00%, More preferably, it is 33.00%. The upper limit with preferable Ni content is 39.00%, More preferably, it is 38.00%, More preferably, it is 35.00%.

低熱膨張合金の化学組成はさらに、Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上を含有する。   The chemical composition of the low thermal expansion alloy further includes at least one selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%.

Si:0超〜0.50%
シリコン(Si)は合金を脱酸する。Siが少しでも含有されれば、脱酸効果がある程度得られる。しかしながら、Si含有量が0.50%を超えれば、合金の自発体積磁歪が減少し、合金の熱膨張係数が高まる。したがって、Si含有量は0超〜0.50%である。Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%である。Si含有量の好ましい上限は0.30%であり、さらに好ましくは0.20%である。
Si: more than 0 to 0.50%
Silicon (Si) deoxidizes the alloy. If Si is contained even a little, a deoxidizing effect can be obtained to some extent. However, if the Si content exceeds 0.50%, the spontaneous volume magnetostriction of the alloy decreases and the thermal expansion coefficient of the alloy increases. Therefore, the Si content is more than 0 to 0.50%. The minimum with preferable Si content is 0.01%, More preferably, it is 0.05%. The upper limit with preferable Si content is 0.30%, More preferably, it is 0.20%.

Al:0超〜0.100%
アルミニウム(Al)は合金を脱酸する。Alが少しでも含有されれば、脱酸効果がある程度得られる。しかしながら、Al含有量が0.100%を超えれば、合金の自発体積磁歪が減少する。その結果、合金の熱膨張係数が高まる。したがって、Al含有量は0超〜0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.010%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.030%である。Al含有量の好ましい上限は0.090%未満であり、さらに好ましくは0.050%である。本実施形態において、Al含有量とは、全Alの含有量である。
Al: more than 0 to 0.100%
Aluminum (Al) deoxidizes the alloy. If Al is contained even a little, a deoxidation effect can be obtained to some extent. However, if the Al content exceeds 0.100%, the spontaneous volume magnetostriction of the alloy decreases. As a result, the thermal expansion coefficient of the alloy is increased. Therefore, the Al content is more than 0 to 0.100%. The minimum with preferable Al content is 0.010%, More preferably, it is 0.020%, More preferably, it is 0.030%. The upper limit with preferable Al content is less than 0.090%, More preferably, it is 0.050%. In the present embodiment, the Al content is the total Al content.

本実施形態の低熱膨張合金の化学組成の残部はFe及び不純物である。ここで、不純物とは、合金を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の低熱膨張合金に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。不純物はたとえば、燐(P)、硫黄(S)、窒素(N)、酸素(O)等である。P、S、N及びOの含有量はたとえば、P:0.02%以下、S:0.005%以下、N:0.02%以下、O:0.01%以下である。   The balance of the chemical composition of the low thermal expansion alloy of this embodiment is Fe and impurities. Here, the impurities are those that are mixed from ore, scrap, or production environment as raw materials when the alloy is industrially produced, and do not adversely affect the low thermal expansion alloy of the present embodiment. Means what is allowed. Impurities are, for example, phosphorus (P), sulfur (S), nitrogen (N), oxygen (O) and the like. The contents of P, S, N and O are, for example, P: 0.02% or less, S: 0.005% or less, N: 0.02% or less, and O: 0.01% or less.

[任意元素について]
本実施形態の低熱膨張合金の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Coを含有してもよい。
[Arbitrary elements]
The chemical composition of the low thermal expansion alloy of the present embodiment may further contain Co instead of a part of Fe.

Co:0〜10.00%
コバルト(Co)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Co含有量は0%であってもよい。含有された場合、CoはNiと同様に、合金の熱膨張係数を低下する。しかしながら、Co含有量が10.00%を超えれば、熱膨張係数がかえって増大してしまう。したがって、Co含有量は0〜10.00%である。Co含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは2.00%であり、さらに好ましくは4.00%である。Co含有量の好ましい上限は9.00%であり、さらに好ましくは8.00%であり、さらに好ましくは6.00%である。
Co: 0 to 10.00%
Cobalt (Co) is an optional element and may not be contained. That is, the Co content may be 0%. When contained, Co, like Ni, lowers the thermal expansion coefficient of the alloy. However, if the Co content exceeds 10.00%, the thermal expansion coefficient will increase. Therefore, the Co content is 0 to 10.00%. The minimum with preferable Co content is more than 0%, More preferably, it is 0.10%, More preferably, it is 2.00%, More preferably, it is 4.00%. The upper limit with preferable Co content is 9.00%, More preferably, it is 8.00%, More preferably, it is 6.00%.

本実施形態の低熱膨張合金の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Crを含有してもよい。   The chemical composition of the low thermal expansion alloy of this embodiment may further contain Cr instead of part of Fe.

Cr:0〜3.00%
クロム(Cr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cr含有量は0%であってもよい。含有された場合、Crは合金に固溶して合金のヤング率を高める。しかしながら、Cr含有量が3.00%を超えれば、母相に過剰に多く固溶したCrにより熱膨張係数が増大する。したがって、Cr含有量は0〜3.00%である。Cr含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは1.50%である。Cr含有量の好ましい上限は2.50%であり、より好ましくは2.00%である。
Cr: 0 to 3.00%
Chromium (Cr) is an optional element and may not be contained. That is, the Cr content may be 0%. When contained, Cr dissolves in the alloy and increases the Young's modulus of the alloy. However, if the Cr content exceeds 3.00%, the thermal expansion coefficient increases due to Cr excessively dissolved in the matrix. Therefore, the Cr content is 0 to 3.00%. The minimum with preferable Cr content is more than 0%, More preferably, it is 1.00%, More preferably, it is 1.50%. The upper limit with preferable Cr content is 2.50%, More preferably, it is 2.00%.

[式(1)について]
本実施形態の低熱膨張合金の上記化学組成はさらに、式(1)を満たす。
30.00≦Ni+Co≦40.00 (1)
式(1)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[Regarding Formula (1)]
The chemical composition of the low thermal expansion alloy of the present embodiment further satisfies the formula (1).
30.00 ≦ Ni + Co ≦ 40.00 (1)
The element content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbol of the formula (1).

F1=Ni+Coと定義する。F1は、合金中のNi及びCoの合計含有量である。上述のとおり、Ni及びCoはいずれも、上記化学組成の合金において、熱膨張係数を低下する。F1が30.00未満であれば、上記化学組成の合金において、十分に低い熱膨張係数が得られない。一方、F1が40.00を超えても、上記化学組成において、十分に低い熱膨張係数が得られない。上記化学組成において、F1が30.00〜40.00であれば、十分に低い熱膨張係数が得られる。F1の好ましい下限は32.00であり、さらに好ましくは33.00である。F1の好ましい上限は38.00である。   Define F1 = Ni + Co. F1 is the total content of Ni and Co in the alloy. As described above, both Ni and Co lower the thermal expansion coefficient in the alloy having the above chemical composition. If F1 is less than 30.00, a sufficiently low thermal expansion coefficient cannot be obtained in an alloy having the above chemical composition. On the other hand, even if F1 exceeds 40.00, a sufficiently low thermal expansion coefficient cannot be obtained in the above chemical composition. In the said chemical composition, if F1 is 30.00-40.00, a sufficiently low thermal expansion coefficient will be obtained. The minimum with preferable F1 is 32.00, More preferably, it is 33.00. The preferable upper limit of F1 is 38.00.

[式(2)について]
上記化学組成はさらに、式(2)を満たす。
−0.50<V−50.94/12.01×C<2.00 (2)
式(2)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[Regarding Formula (2)]
The chemical composition further satisfies formula (2).
−0.50 <V−50.94 / 12.01 × C <2.00 (2)
The element content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbol of the formula (2).

F2=V−50.94/12.01×Cと定義する。50.94はVの原子量、12.01はCの原子量である。F2は、合金中のV含有量及びC含有量の関係を表す。式(1)を満たす上記化学組成の合金中のバナジウム炭化物は、ほぼVCであり、他のバナジウム炭化物(複合炭化物等)は無視できる。上述のとおり、バナジウム炭化物は高温においても安定な化合物である。そのため、後述の溶体化処理によって、バナジウム炭化物を合金中に固溶させることは難しい。しかしながら、式(1)を満たす上記化学組成において、さらに、F2が式(2)を満たせば、溶体化処理によって、合金中のバナジウム炭化物の一部を固溶させることができる。固溶したV及びCは、溶体化処理後に実施される冷間加工及び時効熱処理によって、円相当形が200nm未満の微細バナジウム炭化物としてある程度合金中に析出する。式(1)を満たす上記化学組成において、F2が式(2)を満たすことは、本実施形態において円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物を50個/μm2以上とするための必須の条件の一つである。 It is defined as F2 = V−50.94 / 12.01 × C. 50.94 is the atomic weight of V and 12.01 is the atomic weight of C. F2 represents the relationship between the V content and the C content in the alloy. The vanadium carbide in the alloy having the chemical composition satisfying the formula (1) is almost VC, and other vanadium carbides (composite carbides and the like) can be ignored. As described above, vanadium carbide is a compound that is stable even at high temperatures. Therefore, it is difficult to solidify vanadium carbide in the alloy by a solution treatment described later. However, in the above chemical composition satisfying the formula (1), if F2 satisfies the formula (2), a part of the vanadium carbide in the alloy can be dissolved by the solution treatment. The solid solution V and C are precipitated in the alloy to some extent as fine vanadium carbide having an equivalent circle shape of less than 200 nm by cold working and aging heat treatment performed after the solution treatment. In the above chemical composition satisfying the formula (1), F2 satisfies the formula (2), which is an essential condition for setting the vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm to 50 pieces / μm 2 or more in the present embodiment. One.

F2が2.00以上であれば、Vの固溶量が多すぎる。一方で、F2が−0.50以下であれば、Cの固溶量が多すぎる。いずれの場合も、バナジウム炭化物が安定化するため、溶体化処理を実施してもバナジウム炭化物が固溶しにくい。そのため、溶体化処理の後に時効熱処理を実施しても、微細バナジウム炭化物を十分に析出させることができない。この場合、十分な引張強度を有する合金が得られない。したがって、F2は−0.50超〜2.00未満である。F2の下限は、好ましくは−0.10である。F2の上限は、好ましくは1.00である。   If F2 is 2.00 or more, the amount of V dissolved is too large. On the other hand, if F2 is −0.50 or less, the amount of C dissolved is too large. In any case, the vanadium carbide is stabilized, and therefore the vanadium carbide is hardly dissolved even when the solution treatment is performed. Therefore, even if an aging heat treatment is performed after the solution treatment, fine vanadium carbide cannot be sufficiently precipitated. In this case, an alloy having sufficient tensile strength cannot be obtained. Therefore, F2 is more than −0.50 and less than 2.00. The lower limit of F2 is preferably -0.10. The upper limit of F2 is preferably 1.00.

[バナジウム炭化物の体積率]
本実施形態の低熱膨張合金中において、バナジウム炭化物の体積率は2.5〜12.5%である。合金が十分な体積率のバナジウム炭化物を含有すれば、合金のヤング率が高まる。バナジウム炭化物は、溶湯の凝固時に合金中に晶出又は析出する。バナジウム炭化物はまた、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金において、溶体化処理時にその一部が固溶して、溶体化処理、及び、冷間加工後の時効熱処理により、微細に析出する。
[Volume ratio of vanadium carbide]
In the low thermal expansion alloy of this embodiment, the volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%. If the alloy contains a sufficient volume fraction of vanadium carbide, the Young's modulus of the alloy is increased. Vanadium carbide crystallizes or precipitates in the alloy when the molten metal solidifies. Vanadium carbide is also an alloy having the above-described chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), and a part of the alloy is solid-solubilized during the solution treatment, and the solution treatment and the aging heat treatment after the cold working are performed. Precipitates finely.

バナジウム炭化物のヤング率は非常に高い。そのため、バナジウム炭化物は、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の低熱膨張合金のヤング率を高めることができる。式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の低熱膨張合金において、ヤング率は、バナジウム炭化物のサイズ(円相当径)や個数ではなく、体積率(%)に依存する。具体的には、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金中のバナジウム炭化物の体積率が2.5%未満であれば、低熱膨張合金のヤング率が低い。なお、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の場合、バナジウム炭化物の体積率の上限はせいぜい12.5%である。したがって、本実施形態において、バナジウム炭化物の体積率は2.5〜12.5%である。   The Young's modulus of vanadium carbide is very high. Therefore, the vanadium carbide can increase the Young's modulus of the low thermal expansion alloy having the above chemical composition that satisfies the formulas (1) and (2). In the low thermal expansion alloy having the above chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), the Young's modulus depends not on the size (equivalent circle diameter) or number of vanadium carbides but on the volume ratio (%). Specifically, if the volume fraction of vanadium carbide in the alloy having the chemical composition satisfying the formulas (1) and (2) is less than 2.5%, the Young's modulus of the low thermal expansion alloy is low. In addition, in the case of the said chemical composition satisfy | filling Formula (1) and Formula (2), the upper limit of the volume fraction of vanadium carbide is 12.5% at most. Therefore, in this embodiment, the volume ratio of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%.

合金中のバナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であれば、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金のヤング率を十分に高めることができる。   If the total volume fraction of vanadium carbide in the alloy is 2.5 to 12.5%, the Young's modulus of the alloy having the above chemical composition that satisfies the formulas (1) and (2) can be sufficiently increased.

式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金中のバナジウム炭化物の体積率の好ましい下限は5.9%である。式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金中のバナジウム炭化物の総体積率の好ましい上限は10.0%である。   A preferable lower limit of the volume fraction of vanadium carbide in the alloy having the above chemical composition satisfying the formulas (1) and (2) is 5.9%. A preferable upper limit of the total volume ratio of vanadium carbide in the alloy having the above chemical composition satisfying the formulas (1) and (2) is 10.0%.

バナジウム炭化物の総体積率は次の方法で測定する。低熱膨張合金の任意の位置から、供試材を採取する。たとえば、低熱膨張合金が板材の場合、板幅中央位置から、供試材を採取する。低熱膨張合金が円柱状(棒材)である場合、低熱膨張合金の長手方向に垂直な断面において、R/2位置(当該断面の半径Rの中央位置)から供試材を採取する。低熱膨張合金が管である場合、肉厚中央位置から供試材を採取する。供試材のサイズはたとえば、長さ10mm、幅10mm、厚さ10mmである。採取されたサンプルを、10%AA系電解液(10%アセチルアセトン‐1%テトラメチルアンモニウムクロライド‐メタノール電解液)を用いて電解する。電解時の電流は20mA/cm2とする。 The total volume fraction of vanadium carbide is measured by the following method. Collect specimens from any location on the low thermal expansion alloy. For example, when the low thermal expansion alloy is a plate material, the sample material is collected from the center position of the plate width. When the low thermal expansion alloy is cylindrical (bar material), the specimen is collected from the R / 2 position (the center position of the radius R of the cross section) in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy. If the low thermal expansion alloy is a tube, collect the specimen from the center of the wall thickness. The size of the test material is, for example, 10 mm in length, 10 mm in width, and 10 mm in thickness. The collected sample is electrolyzed using a 10% AA electrolyte (10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride-methanol electrolyte). The current during electrolysis is 20 mA / cm 2 .

上記電解により得られた電解液を、孔径が200nmのフィルタでろ過して残渣の質量を測定する。式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成の合金では、バナジウム炭化物以外の他の介在物及び析出物は無視できるほど少ない。したがって、上記フィルタでろ過して得られた残渣が、全てバナジウム炭化物であるとみなすことができる。つまり、本明細書において、上記フィルタでろ過して得られた残渣は、全てバナジウム炭化物とする。電解前の供試材の総質量と、電解後の供試材の総質量とから、電解量を求める。そして、フィルタでろ過して得られた残渣の質量を求める。上述のとおり、得られた残渣は全てバナジウム炭化物とみなす。電解量の質量と残渣の質量とから、バナジウム炭化物のモル分率を算出する。次に、求めたモル分率を用い、マトリクス(低熱膨張合金)の格子定数と、バナジウム炭化物の格子定数とに基づいて、バナジウム炭化物の体積率(体積%)を算出する。本明細書において、マトリクス(低熱膨張合金)の格子定数は、非特許文献1のインバー合金の3.59Åを用いる。バナジウム炭化物の格子定数は、非特許文献2のVCの4.17Åを用いる。   The electrolytic solution obtained by the electrolysis is filtered through a filter having a pore size of 200 nm, and the mass of the residue is measured. In the alloy having the above chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), there are negligibly few inclusions and precipitates other than the vanadium carbide. Therefore, it can be considered that the residue obtained by filtering with the filter is all vanadium carbide. That is, in this specification, the residue obtained by filtering with the filter is all vanadium carbide. The amount of electrolysis is determined from the total mass of the test material before electrolysis and the total mass of the test material after electrolysis. And the mass of the residue obtained by filtering with a filter is calculated | required. As described above, all the residues obtained are regarded as vanadium carbide. The molar fraction of vanadium carbide is calculated from the mass of electrolysis and the mass of the residue. Next, the volume fraction (volume%) of the vanadium carbide is calculated based on the lattice constant of the matrix (low thermal expansion alloy) and the lattice constant of the vanadium carbide, using the obtained mole fraction. In this specification, the lattice constant of the matrix (low thermal expansion alloy) uses 3.59% of Invar alloy of Non-Patent Document 1. The lattice constant of vanadium carbide is 4.17% of VC of Non-Patent Document 2.

上記のバナジウム炭化物の総体積率の測定方法において、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物は残渣にほぼ含まれない(つまり、残渣は円相当径が200nm以上のバナジウム炭化物である)。しかしながら、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物の体積率は顕著に小さく、バナジウム炭化物の総体積率においては無視できる。したがって、本明細書において、上記方法で測定された総体積率を、バナジウム炭化物の総体積率(%)と定義する。   In the above method for measuring the total volume fraction of vanadium carbide, vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is not substantially contained in the residue (that is, the residue is vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 200 nm or more). However, the volume ratio of vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is remarkably small, and can be ignored in the total volume ratio of vanadium carbide. Therefore, in this specification, the total volume ratio measured by the above method is defined as the total volume ratio (%) of vanadium carbide.

[低熱膨張合金中のバナジウム炭化物について]
本実施形態の低熱膨張合金中には、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物と、円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物とが混在する。つまり、本実施形態の低熱膨張合金中のバナジウム炭化物は、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物(微細バナジウム炭化物)と、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物(粗大バナジウム炭化物)とを含む。
[Vanadium carbide in low thermal expansion alloys]
In the low thermal expansion alloy of the present embodiment, vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm and coarse vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more are mixed. That is, the vanadium carbide in the low thermal expansion alloy of the present embodiment includes vanadium carbide (fine vanadium carbide) having an equivalent circle diameter of less than 200 nm and vanadium carbide (coarse vanadium carbide) having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more. .

微細バナジウム炭化物は、析出強化により低熱膨張合金の強度を高める。具体的には、微細バナジウム炭化物の個数密度が多ければ、引張強度が高まる。一方、粗大バナジウム炭化物は、引張強度及び延性に影響する。具体的には、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が大きすぎれば、粗大バナジウムが割れの起点となりやすく、延性(伸び)が低下する。延性(伸び)が低下すれば、引張強度も低下するため、結果として、強度及び延性のバランスの指標である引張強度×伸び(MPa・%)が低下する。したがって、粗大バナジウムの平均円相当径が小さければ、引張強度及び延性の両方、つまり、引張強度×伸びを高めることができる。   Fine vanadium carbide increases the strength of the low thermal expansion alloy by precipitation strengthening. Specifically, if the number density of fine vanadium carbide is large, the tensile strength is increased. On the other hand, coarse vanadium carbide affects the tensile strength and ductility. Specifically, if the average equivalent-circle diameter of the coarse vanadium carbide is too large, the coarse vanadium tends to be the starting point of cracking, and the ductility (elongation) decreases. If the ductility (elongation) decreases, the tensile strength also decreases. As a result, tensile strength × elongation (MPa ·%), which is an index of balance between strength and ductility, decreases. Therefore, if the average equivalent circle diameter of coarse vanadium is small, both tensile strength and ductility, that is, tensile strength × elongation can be increased.

以下、本実施形態の低熱膨張合金における、微細バナジウム炭化物の個数密度と、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径とについて説明する。   Hereinafter, the number density of fine vanadium carbide and the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide in the low thermal expansion alloy of the present embodiment will be described.

[円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物の個数密度]
本実施形態の低熱膨張合金において、円相当径が200nm未満のバナジウム炭化物(微細バナジウム炭化物)の個数密度は、50個/μm2以上である。微細バナジウム炭化物の円相当径の下限は1nmである。ここで、円相当径とは、後述の透過型電子顕微鏡による観察において、特定されたバナジウム炭化物の面積を、円に換算したときの直径を意味する。
[Number density of vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm]
In the low thermal expansion alloy of the present embodiment, the number density of vanadium carbide (fine vanadium carbide) having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 50 / μm 2 or more. The lower limit of the equivalent circle diameter of the fine vanadium carbide is 1 nm. Here, the equivalent circle diameter means a diameter when the area of the specified vanadium carbide is converted into a circle in observation with a transmission electron microscope described later.

式(1)及び式(2)を満たし、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であり、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満の低熱膨張合金において、微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上であれば、低熱膨張係数、高ヤング率を維持しつつ、強度を飛躍的に高めることができる。本実施形態の低熱膨張合金では、微細バナジウム炭化物の個数密度を、従前では実現できなかった50個/μm2以上とすることにより、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、式(1)及び式(2)を満たし、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であり、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満の低熱膨張合金において、950MPa以上の引張強度を実現できる。 In a low thermal expansion alloy that satisfies the formulas (1) and (2), the total volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, and the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide is less than 2.8 μm, If the number density of the vanadium carbide is 50 / μm 2 or more, the strength can be dramatically increased while maintaining a low thermal expansion coefficient and a high Young's modulus. In the low thermal expansion alloy of this embodiment, by setting the number density of fine vanadium carbide to 50 pieces / μm 2 or more, which could not be realized in the past, the content of each element in the chemical composition is within the range of this embodiment. In the low thermal expansion alloy that satisfies the formulas (1) and (2), the total volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, and the average equivalent circle diameter of the coarse vanadium carbide is less than 2.8 μm A tensile strength of 950 MPa or more can be realized.

微細バナジウム炭化物が50個/μm2未満であれば、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、式(1)及び式(2)を満たし、かつ、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満であっても、低熱膨張合金の引張強度が950MPa未満になる。したがって、低熱膨張合金中の微細バナジウム炭化物は50個/μm2以上である。低熱膨張合金中の微細バナジウム炭化物は好ましくは60個/μm2以上である。低熱膨張合金中の微細バナジウム炭化物の個数密度の上限は特に限定されないが、たとえば1500個/μm2である。 If the fine vanadium carbide is less than 50 / μm 2 , the content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, and satisfies the formulas (1) and (2), and the coarse vanadium carbide. Even if the average equivalent circle diameter is less than 2.8 μm, the tensile strength of the low thermal expansion alloy is less than 950 MPa. Therefore, the fine vanadium carbide in the low thermal expansion alloy is 50 pieces / μm 2 or more. The fine vanadium carbide in the low thermal expansion alloy is preferably 60 pieces / μm 2 or more. The upper limit of the number density of fine vanadium carbide in the low thermal expansion alloy is not particularly limited, but is, for example, 1500 / μm 2 .

微細バナジウム炭化物の個数密度は、次の方法で測定する。低熱膨張合金の任意の位置から、供試材を採取する。たとえば、低熱膨張合金が板材の場合、板幅中央位置から、供試材を採取する。低熱膨張合金が円柱状(棒材)である場合、低熱膨張合金の長手方向に垂直な断面において、R/2位置(当該断面の半径Rの中央位置)から供試材を採取する。低熱膨張合金が管である場合、肉厚中央位置から供試材を採取する。供試材を機械研磨して、70μmの厚さにする。さらに、供試材の表面(観察面)を、ツインジェット研磨法(電解液:過塩素酸メタノール(過塩素酸10%、メタノール90%))により研磨する。研磨された供試材の観察面に対して透過型電子顕微鏡を用いて、顕微鏡観察を実施する。観察視野は300nm×500nmとする。微細バナジウム炭化物の回折スポットを用いて結像させた暗視野像を得る。画像ソフトにより、円相当径が1nm以上かつ200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度を測定する。微細バナジウム炭化物の個数を暗視野像の視野面積で割って、本実施形態の微細バナジウム炭化物の個数密度(個/μm2)とする。この方法で特定可能な微細バナジウム炭化物の円相当径は1nm以上である。 The number density of fine vanadium carbide is measured by the following method. Collect specimens from any location on the low thermal expansion alloy. For example, when the low thermal expansion alloy is a plate material, the sample material is collected from the center position of the plate width. When the low thermal expansion alloy is cylindrical (bar material), the specimen is collected from the R / 2 position (the center position of the radius R of the cross section) in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy. If the low thermal expansion alloy is a tube, collect the specimen from the center of the wall thickness. The specimen is mechanically polished to a thickness of 70 μm. Further, the surface (observation surface) of the test material is polished by a twin jet polishing method (electrolytic solution: methanol perchlorate (perchloric acid 10%, methanol 90%)). Microscopic observation is carried out on the observation surface of the polished specimen using a transmission electron microscope. The observation visual field is 300 nm × 500 nm. A dark field image formed using a diffraction spot of fine vanadium carbide is obtained. The number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1 nm or more and less than 200 nm is measured by image software. The number of fine vanadium carbides is divided by the field area of the dark field image to obtain the number density (pieces / μm 2 ) of the fine vanadium carbides of this embodiment. The equivalent circle diameter of fine vanadium carbide that can be specified by this method is 1 nm or more.

[円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物の平均円相当径]
本実施形態の低熱膨張合金において、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物(粗大バナジウム炭化物)の平均粒径は2.8μm未満である。化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、式(1)及び式(2)を満たし、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であり、微細バナジウム炭化物が50個/μm2以上であっても、粗大バナジウム炭化物の平均粒径が2.8μm以上であれば、微細バナジウム炭化物により強度を高めることができても、延性が低下してしまう。その結果、引張強度×伸び(MPa・%)が低下する。
[Average equivalent circle diameter of vanadium carbide with equivalent circle diameter of 1.0 μm or more]
In the low thermal expansion alloy of this embodiment, the average particle diameter of vanadium carbide (coarse vanadium carbide) having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more is less than 2.8 μm. The content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, satisfies the formulas (1) and (2), the total volume ratio of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, and fine vanadium. Even if the number of carbides is 50 / μm 2 or more, if the average particle size of the coarse vanadium carbide is 2.8 μm or more, the ductility is lowered even if the strength can be increased by the fine vanadium carbide. As a result, tensile strength × elongation (MPa ·%) decreases.

化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、式(1)及び式(2)を満たし、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であり、微細バナジウム炭化物が50個/μm2以上であり、かつ、粗大バナジウム炭化物の平均粒径が2.8μm未満であれば、粗大バナジウム炭化物が割れの起点となりにくくなり、延性(伸び)が向上する。その結果、強度だけでなく、延性(伸び)も高まる。具体的には、引張強度×伸び(MPa・%)が5000MPa・%以上となる。 The content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, satisfies the formulas (1) and (2), the total volume ratio of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, and fine vanadium. When the number of carbides is 50 / μm 2 or more and the average particle size of the coarse vanadium carbide is less than 2.8 μm, the coarse vanadium carbide is less likely to be a starting point of cracking, and ductility (elongation) is improved. As a result, not only the strength but also the ductility (elongation) is increased. Specifically, the tensile strength × elongation (MPa ·%) is 5000 MPa ·% or more.

粗大バナジウム炭化物の平均円相当径は、次の方法で測定する。低熱膨張合金の長手方向に平行な表面を有する供試材を採取する。長手方向はたとえば、鍛伸方向に相当する。たとえば、低熱膨張合金が板材の場合、板幅中央位置から、供試材を採取する。低熱膨張合金が円柱状(棒材)である場合、低熱膨張合金の長手方向に垂直な断面において、R/2位置(当該断面の半径Rの中央位置)から供試材を採取する。低熱膨張合金が管である場合、肉厚中央位置から供試材を採取する。供試材の表面のうち、長手方向に平行な表面を観察面とする。供試材の観察面をエミリー紙で研磨し、その後ダイヤモンドを使用してバフ研磨を実施する。バフ研磨後の供試材の観察面中の任意の28視野に対して、走査型電子顕微鏡を用いて反射電子像を得る。各視野は180μm×420μmとする。各視野の写真画像を生成して、二値化処理を実施して、析出物と母相とを区別する。析出物と母相とはコントラストにより明確に区別可能である。さらに、本実施形態の低熱膨張合金のミクロ組織において、バナジウム炭化物以外の析出物は存在しないとみなすことができる。したがって、二値化処理により、バナジウム炭化物を特定することができる。   The average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide is measured by the following method. A test material having a surface parallel to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy is collected. The longitudinal direction corresponds to the forging direction, for example. For example, when the low thermal expansion alloy is a plate material, the sample material is collected from the center position of the plate width. When the low thermal expansion alloy is cylindrical (bar material), the specimen is collected from the R / 2 position (the center position of the radius R of the cross section) in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy. If the low thermal expansion alloy is a tube, collect the specimen from the center of the wall thickness. Of the surfaces of the test material, the surface parallel to the longitudinal direction is taken as the observation surface. The observation surface of the specimen is polished with emily paper, and then buffed with diamond. A reflected electron image is obtained using a scanning electron microscope with respect to arbitrary 28 visual fields in the observation surface of the specimen after buffing. Each field of view is 180 μm × 420 μm. A photographic image of each field of view is generated, and binarization processing is performed to distinguish the precipitate from the parent phase. Precipitates and matrix can be clearly distinguished by contrast. Furthermore, it can be considered that precipitates other than vanadium carbide are not present in the microstructure of the low thermal expansion alloy of the present embodiment. Therefore, vanadium carbide can be specified by the binarization process.

特定された各バナジウム炭化物の円相当径を求める。そして、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物を特定する。28箇所の視野にて特定された、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物の平均円相当径を求める。平均円相当径は小数第二位を四捨五入した値(つまり、小数第一位の値)とする。   The equivalent circle diameter of each specified vanadium carbide is determined. And the vanadium carbide | carbonized_material whose circular equivalent diameter is 1.0 micrometer or more is specified. The average equivalent circle diameter of the vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more, which is specified in 28 visual fields, is obtained. The average equivalent circle diameter is a value obtained by rounding off the second decimal place (that is, the first decimal place value).

以上のとおり、本実施形態の低熱膨張合金は、化学組成中の各元素が本実施形態の範囲内であって、かつ、式(1)及び式(2)を満たし、合金中のバナジウム炭化物の体積率が2.5〜12.5%であり、微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上であり、さらに、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満である。そのため、本実施形態の低熱膨張合金は、熱膨張係数を低く維持しつつ、高いヤング率を有するだけでなく、高い引張強度を有し、さらに、優れた延性を有する。具体的には、上述の構成を有する本実施形態の低熱膨張合金では、熱膨張係数が4.0×10-6/℃以下であり、ヤング率が150GPa以上であり、引張強度が950MPa以上であり、引張強度と伸びとの積が5000MPa・%以上である。 As described above, in the low thermal expansion alloy of the present embodiment, each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, satisfies the formulas (1) and (2), and the vanadium carbide in the alloy The volume ratio is 2.5 to 12.5%, the number density of fine vanadium carbide is 50 pieces / μm 2 or more, and the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide is less than 2.8 μm. Therefore, the low thermal expansion alloy of the present embodiment not only has a high Young's modulus while maintaining a low thermal expansion coefficient, but also has a high tensile strength and an excellent ductility. Specifically, in the low thermal expansion alloy of the present embodiment having the above-described configuration, the thermal expansion coefficient is 4.0 × 10 −6 / ° C. or less, the Young's modulus is 150 GPa or more, and the tensile strength is 950 MPa or more. Yes, the product of tensile strength and elongation is 5000 MPa ·% or more.

[熱膨張係数の測定方法]
ここで、本実施形態の低熱膨張合金の熱膨張係数は次の方法で求めることができる。低熱膨張合金の任意の位置から、試験片を採取する。たとえば、低熱膨張合金が板材の場合、板幅中央位置から、試験片を採取する。低熱膨張合金が円柱状(棒材)である場合、低熱膨張合金の長手方向に垂直な断面において、R/2位置(当該断面の半径Rの中央位置)から試験片を採取する。低熱膨張合金が管である場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。試験片は、直径3mm、長さ15mmの円柱状とする。試験片を用いて、JIS Z 2285(2003)に基づいて、熱膨張係数を求める。熱膨張係数の測定には、水平型示差膨張式機械分析装置を用いる。具体的には、試験片を5℃/minの速度で昇温し、30〜100℃の熱膨張係数を1℃ピッチで求める。求めた熱膨張係数の平均を、本実施形態の低熱膨張合金の熱膨張係数(×10-6/℃)とする。
[Measurement method of thermal expansion coefficient]
Here, the thermal expansion coefficient of the low thermal expansion alloy of the present embodiment can be obtained by the following method. Test specimens are taken from any location on the low thermal expansion alloy. For example, when the low thermal expansion alloy is a plate material, a test piece is collected from the center position of the plate width. When the low thermal expansion alloy is cylindrical (bar), a test piece is taken from the R / 2 position (the center position of the radius R of the cross section) in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy. If the low thermal expansion alloy is a tube, take a specimen from the center of the wall thickness. The test piece has a cylindrical shape with a diameter of 3 mm and a length of 15 mm. A thermal expansion coefficient is calculated | required based on JISZ2285 (2003) using a test piece. A horizontal differential expansion mechanical analyzer is used to measure the thermal expansion coefficient. Specifically, the test piece is heated at a rate of 5 ° C./min, and a thermal expansion coefficient of 30 to 100 ° C. is obtained at a 1 ° C. pitch. Let the average of the calculated | required thermal expansion coefficient be the thermal expansion coefficient ( x10 < -6 > / degreeC) of the low thermal expansion alloy of this embodiment.

[ヤング率の測定方法]
本実施形態の低熱膨張合金のヤング率は次の方法で求めることができる。低熱膨張合金の任意の位置から、試験片を採取する。たとえば、低熱膨張合金が板材の場合、板幅中央位置から、試験片を採取する。低熱膨張合金が円柱状(棒材)である場合、低熱膨張合金の長手方向に垂直な断面において、R/2位置(当該断面の半径Rの中央位置)から試験片を採取する。低熱膨張合金が管である場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。試験片は、長さ60mm、幅10mm、厚さ1.5mmとする。供試材を用いて、JIS Z 2280(1993)に準拠して、常温(20℃±15℃)でのヤング率を測定する。ヤング率の測定では、横共振法の測定装置を用いる。
[Measurement method of Young's modulus]
The Young's modulus of the low thermal expansion alloy of this embodiment can be obtained by the following method. Test specimens are taken from any location on the low thermal expansion alloy. For example, when the low thermal expansion alloy is a plate material, a test piece is collected from the center position of the plate width. When the low thermal expansion alloy is cylindrical (bar), a test piece is taken from the R / 2 position (the center position of the radius R of the cross section) in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy. If the low thermal expansion alloy is a tube, take a specimen from the center of the wall thickness. The test piece has a length of 60 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1.5 mm. Using the test material, Young's modulus at room temperature (20 ° C. ± 15 ° C.) is measured according to JIS Z 2280 (1993). In the measurement of Young's modulus, a measuring device using a transverse resonance method is used.

[引張強度(TS)及び伸び(EL)の測定方法]
本実施形態の低熱膨張合金の引張強度TS(MPa)及び伸びEL(%)は次の方法で求める。低熱膨張合金の任意の位置から、試験片を採取する。たとえば、低熱膨張合金が板材の場合、板幅中央位置から、試験片を採取する。低熱膨張合金が円柱状(棒材)である場合、低熱膨張合金の長手方向に垂直な断面において、R/2位置(当該断面の半径Rの中央位置)から試験片を採取する。低熱膨張合金が管である場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。試験片は、平行部長さ65mm、平行部の直径6mmの引張試験片とする。平行部長さは、低熱膨張合金の長手方向(鍛伸方向)と平行とする。採取した引張試験片を用いて、JIS Z 2241(2011)に準拠して、常温(20℃±15℃)、大気中にて、引張試験を実施して、応力−ひずみ曲線を得る。得られた応力−ひずみ曲線から引張強度TS(MPa)、及び、伸びEL(%)を求める。本明細書において、伸びは、破断伸びとする。得られた引張強度TS及び伸びELに基づいて、引張強度TSと伸びELとの積(TS×EL)を求める。
[Measurement method of tensile strength (TS) and elongation (EL)]
The tensile strength TS (MPa) and elongation EL (%) of the low thermal expansion alloy of this embodiment are determined by the following method. Test specimens are taken from any location on the low thermal expansion alloy. For example, when the low thermal expansion alloy is a plate material, a test piece is collected from the center position of the plate width. When the low thermal expansion alloy is cylindrical (bar), a test piece is taken from the R / 2 position (the center position of the radius R of the cross section) in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the low thermal expansion alloy. If the low thermal expansion alloy is a tube, take a specimen from the center of the wall thickness. The test piece is a tensile test piece having a parallel part length of 65 mm and a parallel part diameter of 6 mm. The parallel part length is parallel to the longitudinal direction (forging direction) of the low thermal expansion alloy. Using the collected tensile test piece, a tensile test is performed at room temperature (20 ° C. ± 15 ° C.) and in the atmosphere in accordance with JIS Z 2241 (2011) to obtain a stress-strain curve. Tensile strength TS (MPa) and elongation EL (%) are determined from the obtained stress-strain curve. In this specification, the elongation is the elongation at break. Based on the obtained tensile strength TS and elongation EL, a product (TS × EL) of the tensile strength TS and the elongation EL is obtained.

[製造方法]
本実施形態の低熱膨張合金の製造方法の一例を以下に説明する。なお、本実施形態の低熱膨張合金は、以下の製造方法に限定されない。式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成であって、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であり、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上であり、円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満である低熱膨張合金が製造できれば、製造方法は特に限定されない。
[Production method]
An example of the manufacturing method of the low thermal expansion alloy of this embodiment is demonstrated below. In addition, the low thermal expansion alloy of this embodiment is not limited to the following manufacturing methods. The above chemical composition satisfying formula (1) and formula (2), wherein the total volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, and the number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is The production method is not particularly limited as long as a low thermal expansion alloy having an average equivalent circle diameter of less than 2.8 μm of coarse vanadium carbide having a circle equivalent diameter of 1.0 μm or more and 50 pieces / μm 2 or more can be produced.

図1は、本実施形態の低熱膨張合金の製造工程の一例のヒートパターンと、各工程終了後の合金のミクロ組織の模式図とを示す図である。図1を参照して、本実施形態の低熱膨張合金の製造方法は、一例として、鋳造工程(S1)と、熱間鍛造工程(S2)と、溶体化処理工程(S3)と、冷間加工工程(S4)と、時効熱処理工程(S5)とを含む。以下、各工程について説明する。   FIG. 1 is a diagram showing a heat pattern as an example of the manufacturing process of the low thermal expansion alloy of the present embodiment and a schematic diagram of the microstructure of the alloy after the completion of each process. With reference to FIG. 1, the manufacturing method of the low thermal expansion alloy of this embodiment has a casting process (S1), a hot forging process (S2), a solution treatment process (S3), and cold work as an example. A process (S4) and an aging heat treatment process (S5) are included. Hereinafter, each step will be described.

[鋳造工程(S1)]
鋳造工程(S1)では、式(1)及び式(2)を満たす化学組成の合金の素材(鋳造材)を製造する。鋳造方法は、造塊法でもよいし、連続鋳造法でもよい。式(1)及び式(2)を満たす化学組成の場合、鋳造工程において、粗大バナジウム炭化物が晶出又は析出する。そのため、素材には、図1中のミクロ組織図(A)に示すとおり、母相100とともに、柱状又は塊状の粗大バナジウム炭化物200が多数存在する。
[Casting process (S1)]
In the casting step (S1), an alloy material (cast material) having a chemical composition satisfying the expressions (1) and (2) is manufactured. The casting method may be an ingot casting method or a continuous casting method. In the case of a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2), coarse vanadium carbides crystallize or precipitate in the casting process. Therefore, as shown in the microstructure (A) in FIG. 1, the material includes a large number of columnar or massive coarse vanadium carbides 200 together with the matrix 100.

[熱間鍛造工程(S2)]
熱間鍛造工程(S2)では、鋳造工程により製造された素材に対して、熱間鍛造を実施して合金材を製造する。熱間鍛造工程(S2)は、低熱膨張合金の形状を成形するだけでなく、素材中の粗大バナジウム炭化物200を破砕して小さくする役割を有する。具体的には、素材を加熱温度T2=1150〜1300℃に加熱する。
[Hot forging process (S2)]
In the hot forging step (S2), hot forging is performed on the material produced by the casting step to produce an alloy material. The hot forging step (S2) not only forms the shape of the low thermal expansion alloy, but also has a role of crushing and reducing the coarse vanadium carbide 200 in the material. Specifically, the material is heated to a heating temperature T2 = 1150 to 1300 ° C.

加熱された素材に対して、熱間鍛造を実施する。熱間鍛造は、鍛伸鍛造でも据込鍛造でもよい。具体的には、素材に対して複数のパス回数で圧下を実施する。ここで、「パス」とは、熱間鍛造機を用いて素材に1回圧下することを意味する。1パスあたりの圧下率Pn(%)を次のとおり定義する。ここで、nはパス回数を意味し、1パス目の圧下率をP1、1パス目に続く2パス目の圧下率をP2と表記する。
Pn={1−(nパス目の圧下後の素材の圧下方向の厚さ/nパス目の圧下前の素材の圧下方向の厚さ)}×100
ここで、圧下方向の厚さとは、図2に示す素材1において、圧下方向Pを含む断面10での圧下方向の厚さTn(mm)を意味する。
Hot forging is performed on the heated material. Hot forging may be forging or upsetting. Specifically, the material is reduced by a plurality of passes. Here, “pass” means that the material is squeezed once using a hot forging machine. The rolling reduction Pn (%) per pass is defined as follows. Here, n means the number of passes, and the reduction rate of the first pass is denoted as P1, and the reduction rate of the second pass following the first pass is denoted as P2.
Pn = {1− (thickness in the reduction direction of the material after the nth pass reduction / thickness in the reduction direction of the material before the nth pass reduction)} × 100
Here, the thickness in the rolling direction means the thickness Tn (mm) in the rolling direction in the cross section 10 including the rolling direction P in the material 1 shown in FIG.

また、熱間鍛造工程での累積圧下率Pt(%)を、次のとおり定義する。
累積圧下率Pt=(1−熱間鍛造後の合金材の圧下方向を含む断面での断面積/熱間鍛造前の素材の圧下方向を含む断面での断面積)×100
ここで、圧下方向での断面とは、図2に示す断面10を意味する。なお、素材が直方体状ではない場合、熱間鍛造前の素材の圧下方向を含む断面での断面積は、熱間鍛造前の素材において、断面10のうち最小の断面の断面積とする。
Further, the cumulative reduction ratio Pt (%) in the hot forging process is defined as follows.
Cumulative rolling reduction Pt = (1−cross-sectional area in the section including the rolling direction of the alloy material after hot forging / cross-sectional area in the section including the rolling direction of the material before hot forging) × 100
Here, the cross section in the rolling direction means the cross section 10 shown in FIG. In addition, when a raw material is not a rectangular parallelepiped shape, let the cross-sectional area in the cross section containing the rolling direction of the raw material before hot forging be a cross-sectional area of the minimum cross section among the cross sections 10 in the raw material before hot forging.

本製造方法では熱間鍛造工程での累積圧下率を30.0%以上とする。さらに、累積圧下率が30.0%になるまでの、熱間鍛造工程での各パスでの圧下率を5.0%以上とする。さらに、熱間鍛造中の鋳造材の温度を900℃以上とする。   In this manufacturing method, the cumulative reduction ratio in the hot forging step is set to 30.0% or more. Furthermore, the rolling reduction rate in each pass in the hot forging step until the cumulative rolling reduction rate becomes 30.0% is set to 5.0% or more. Furthermore, the temperature of the cast material during hot forging is set to 900 ° C. or higher.

鋳造工程(S1)において、式(1)及び式(2)を満たす化学組成の素材を製造すれば、上述のとおり、鋳造工程(S1)中において、素材中に柱状又は塊状の粗大バナジウム炭化物200が晶出又は析出する。そのため、素材が柱状又は塊状の粗大バナジウム炭化物200を含んでしまうことを避けることはできない。そこで、本製造方法では、熱間鍛造工程において、上記条件にて圧下し、合金材中の粗大バナジウム炭化物200を、1パスあたりの圧下により破砕する。これにより、熱間加工工程(S2)後の合金材内では、図1中のミクロ組織図(B)に示すとおり、粗大バナジウム炭化物200が破砕され、粗大バナジウム炭化物200よりも小さい粗大バナジウム炭化物210となる。   In the casting step (S1), if a material having a chemical composition satisfying the formula (1) and the formula (2) is manufactured, the columnar or massive coarse vanadium carbide 200 is formed in the material in the casting step (S1) as described above. Crystallizes or precipitates. Therefore, it cannot be avoided that the material contains columnar or massive coarse vanadium carbide 200. Therefore, in the present manufacturing method, in the hot forging process, rolling is performed under the above conditions, and the coarse vanadium carbide 200 in the alloy material is crushed by rolling per pass. Thereby, in the alloy material after the hot working step (S2), as shown in the microstructure (B) of FIG. 1, coarse vanadium carbide 200 is crushed and coarse vanadium carbide 210 smaller than coarse vanadium carbide 200 is obtained. It becomes.

なお、熱間鍛造中(つまり、熱間鍛造の開始から熱間鍛造が完了するまでの間)の素材の温度を周知の温度範囲、たとえば、900℃以上に維持する。ここで、熱間鍛造中の鋳造材の温度とは、素材の表面温度を意味する。熱間鍛造中の素材の温度は、熱間鍛造装置の入側及び出側に設置された測温計により測温可能である。熱間鍛造中において、素材の温度が900℃を下回りそうであれば、素材の温度が900℃を下回る前に、素材を加熱炉又は均熱炉に装入して、再度加熱する。つまり、熱間鍛造中のパスの間に、素材を加熱してもよい。   In addition, the temperature of the raw material during hot forging (that is, from the start of hot forging to completion of hot forging) is maintained in a known temperature range, for example, 900 ° C. or more. Here, the temperature of the cast material during hot forging means the surface temperature of the material. The temperature of the raw material during hot forging can be measured by thermometers installed on the entry side and the exit side of the hot forging device. During hot forging, if the temperature of the material is likely to be below 900 ° C., the material is charged into a heating furnace or a soaking furnace and heated again before the temperature of the material is below 900 ° C. That is, the material may be heated during the pass during hot forging.

以上の工程により、素材に対して熱間鍛造を実施して、合金材を製造する。   Through the above steps, hot forging is performed on the material to produce an alloy material.

[溶体化処理工程(S3)]
溶体化処理工程(S3)では、熱間鍛造工程(S2)後の合金材に対して溶体化処理を実施する。溶体化処理を実施することにより、図1中のミクロ組織図(C)に示すとおり、合金材中の粗大バナジウム炭化物を、熱間鍛造工程(S2)直後の粗大バナジウム炭化物210の一部を固溶して、粗大バナジウム炭化物220とする。溶体化処理では、合金材を1000〜1300℃の溶体化処理温度T3に加熱し、溶体化処理温度T3で保持する。保持時間はたとえば、0.5時間以上である。保持時間の上限は特に限定されないが、製造コストを考慮すれば、たとえば、100時間である。
[Solution Treatment Step (S3)]
In the solution treatment step (S3), the solution treatment is performed on the alloy material after the hot forging step (S2). By performing the solution treatment, as shown in the microstructure (C) of FIG. 1, the coarse vanadium carbide in the alloy material is solidified from a part of the coarse vanadium carbide 210 immediately after the hot forging step (S2). To obtain coarse vanadium carbide 220. In the solution treatment, the alloy material is heated to a solution treatment temperature T3 of 1000 to 1300 ° C. and held at the solution treatment temperature T3. The holding time is, for example, 0.5 hours or longer. The upper limit of the holding time is not particularly limited, but is 100 hours, for example, considering the manufacturing cost.

本明細書において、溶体化処理温度T3(℃)は、熱処理炉の炉温(℃)を意味する。熱処理炉の炉温は、熱処理炉の内部に配置された測温計により測温可能である。   In the present specification, the solution treatment temperature T3 (° C.) means the furnace temperature (° C.) of the heat treatment furnace. The furnace temperature of the heat treatment furnace can be measured by a thermometer arranged inside the heat treatment furnace.

上述の条件で熱間鍛造工程(S2)を実施して合金材を製造し、かつ、上記条件で合金材に対して溶体化処理を実施する。これにより、各粗大バナジウム炭化物210の一部が固溶して、粗大バナジウム炭化物220となり、固溶したバナジウム炭化物が、後の冷間加工及び時効熱処理により微細バナジウム炭化物250(図1中のミクロ組織図(D)参照)として多数析出する。   The hot forging step (S2) is performed under the above-described conditions to produce an alloy material, and the solution treatment is performed on the alloy material under the above-described conditions. Thereby, a part of each coarse vanadium carbide 210 is solid-dissolved to become coarse vanadium carbide 220, and the solid-dissolved vanadium carbide is converted into fine vanadium carbide 250 (microstructure in FIG. 1) by subsequent cold working and aging heat treatment. Many precipitates as shown in FIG.

溶体化処理温度T3が1000℃未満であれば、粗大バナジウム炭化物210の一部が十分に固溶しない。この場合、後述の冷間加工工程及び時効熱処理工程を実施しても、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物250が十分に析出せず、微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2未満となる。一方で、溶体化処理温度T3が1300℃より高ければ、合金材が部分溶融しやすい。したがって、溶体化処理温度T3を1000〜1300℃にする。なお、上記溶体化処理温度にて保持時間が経過した後、合金材を急冷する。急冷はたとえば、水冷である。 If the solution treatment temperature T3 is less than 1000 ° C., a part of the coarse vanadium carbide 210 is not sufficiently dissolved. In this case, even if a cold working process and an aging heat treatment process described later are performed, the fine vanadium carbide 250 having an equivalent circle diameter of less than 200 nm does not sufficiently precipitate, and the number density of the fine vanadium carbide is less than 50 / μm 2. It becomes. On the other hand, if the solution treatment temperature T3 is higher than 1300 ° C, the alloy material is likely to partially melt. Therefore, the solution treatment temperature T3 is set to 1000 to 1300 ° C. In addition, after holding time passes at the said solution treatment temperature, an alloy material is rapidly cooled. The rapid cooling is, for example, water cooling.

[冷間加工工程(S4)]
冷間加工工程(S4)では、溶体化処理工程(S3)後の合金材に対して、冷間加工を実施する。冷間加工として、冷間鍛造を実施してもよいし、冷間抽伸を実施してもよいし、冷間圧延を実施してもよい。冷間加工における累積の冷間加工率は、20.0%以上である。ここで累積の冷間加工率CWは、次の式で定義される。
冷間加工率CW=(1−冷間加工工程後の合金材の断面積/冷間加工工程前の合金材の断面積)×100
なお、冷間加工率CWにおいて、合金材の断面積とは、合金材の長手方向(軸方向)に垂直な断面の面積を意味する。
[Cold working process (S4)]
In the cold working step (S4), cold working is performed on the alloy material after the solution treatment step (S3). As cold working, cold forging may be performed, cold drawing may be performed, or cold rolling may be performed. The cumulative cold working rate in cold working is 20.0% or more. Here, the cumulative cold work rate CW is defined by the following equation.
Cold work rate CW = (1−Cross sectional area of alloy material after cold working process / Cross sectional area of alloy material before cold working process) × 100
In the cold work rate CW, the cross-sectional area of the alloy material means an area of a cross section perpendicular to the longitudinal direction (axial direction) of the alloy material.

本製造方法では、溶体化処理工程(S3)後の合金材に対して冷間加工工程(S4)を実施して、合金材中にひずみを導入する。このひずみ(転位)は、次工程の時効熱処理工程(S5)において、微細バナジウム炭化物250の析出サイトとして機能する。そのため、冷間加工工程(S4)を実施しない場合と比較して、次工程の時効熱処理工程(S5)において析出する微細バナジウム炭化物250の個数密度(個/μm2)が顕著に増加する。 In this manufacturing method, the cold working step (S4) is performed on the alloy material after the solution treatment step (S3) to introduce strain into the alloy material. This strain (dislocation) functions as a precipitation site for the fine vanadium carbide 250 in the next aging heat treatment step (S5). Therefore, the number density (pieces / μm 2 ) of the fine vanadium carbide 250 precipitated in the next aging heat treatment step (S5) is remarkably increased as compared with the case where the cold working step (S4) is not performed.

冷間加工率が20.0%未満であれば、微細バナジウム炭化物250の析出サイトとしての転位の導入が不十分である。そのため、上述の条件を満たす熱間加工工程(S2)を実施しても、微細バナジウム炭化物250が十分に析出せず、微細バナジウム炭化物250の個数密度が50個/μm2未満となる。冷間加工率が20.0%以上であれば、他の製造工程において条件を満たすことを前提として、時効熱処理工程(S5)後の合金中の微細バナジウム炭化物250の個数密度が50個/μm2以上になる。さらに、熱間鍛造工程において、累積圧下率が30.0%になるまでの熱間鍛造での各パスでの圧下率を5%以上とする。これにより、粗大バナジウム炭化物200が破砕されている。そのため、粗大バナジウム炭化物の残存に起因した、延性の低下を抑制できる。 If the cold work rate is less than 20.0%, the introduction of dislocations as precipitation sites for the fine vanadium carbide 250 is insufficient. Therefore, even if the hot working step (S2) that satisfies the above conditions is performed, the fine vanadium carbide 250 is not sufficiently precipitated, and the number density of the fine vanadium carbide 250 is less than 50 / μm 2 . If the cold working rate is 20.0% or more, the number density of fine vanadium carbide 250 in the alloy after the aging heat treatment step (S5) is 50 / μm on the premise that the conditions are satisfied in other manufacturing steps. 2 or more. Furthermore, in the hot forging step, the rolling reduction in each pass in hot forging until the cumulative rolling reduction reaches 30.0% is set to 5% or more. Thereby, the coarse vanadium carbide 200 is crushed. Therefore, it is possible to suppress a reduction in ductility due to the remaining coarse vanadium carbide.

[時効熱処理工程(S5)]
時効熱処理工程(S5)では、冷間加工工程後の合金材に対して、時効熱処理工程(S5)を実施して、合金材中に微細バナジウム炭化物を析出させる。時効熱処理工程(S5)では、時効熱処理温度T5を500〜800℃として、時効熱処理温度T5での保持時間を0.5時間以上とする。保持時間の上限は特に限定されないが、製造コストを考慮すれば、たとえば、500時間である。
[Aging heat treatment step (S5)]
In the aging heat treatment step (S5), the aging heat treatment step (S5) is performed on the alloy material after the cold working step to precipitate fine vanadium carbide in the alloy material. In the aging heat treatment step (S5), the aging heat treatment temperature T5 is set to 500 to 800 ° C., and the holding time at the aging heat treatment temperature T5 is set to 0.5 hours or more. The upper limit of the holding time is not particularly limited, but is 500 hours, for example, considering the manufacturing cost.

本明細書において、時効熱処理温度T5(℃)は、時効熱処理を実施する熱処理炉の炉温(℃)を意味する。熱処理炉の炉温は、熱処理炉の内部に配置された測温計により測温可能である。   In this specification, the aging heat treatment temperature T5 (° C.) means the furnace temperature (° C.) of a heat treatment furnace for performing the aging heat treatment. The furnace temperature of the heat treatment furnace can be measured by a thermometer arranged inside the heat treatment furnace.

冷間加工工程(S4)後の合金材に対して、上述の条件で時効熱処理を実施する。熱間加工工程(S2)での条件を満たして鋳造材中の粗大バナジウム炭化物200を破砕して、粗大バナジウム炭化物200よりも小さい粗大バナジウム炭化物210を生成し、さらに、溶体化処理工程(S3)により粗大バナジウム炭化物210の一部を溶解して、粗大バナジウム炭化物220を生成する。さらに、冷間加工工程(S4)により合金材中にひずみ(転位)を導入した後、上記条件の時効熱処理を実施する。この場合、時効熱処理される合金材は、熱間加工工程(S2)及び溶体化処理工程(S3)により粗大バナジウム炭化物200を十分に小さくし、かつ、バナジウム炭化物200の一部を固溶した状態で、かつ、微細バナジウム炭化物250の析出サイトとして機能する転位が十分に導入された状態となっている。そのため、上述の条件の時効熱処理により、図1中のミクロ組織図(D)に示すとおり、合金材中に粗大バナジウム炭化物220とともに、微細バナジウム炭化物250が多数生成する。具体的には、時効熱処理工程(S5)後の合金材中では、円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満となり、かつ、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上になる。 An aging heat treatment is performed on the alloy material after the cold working step (S4) under the above-described conditions. By satisfying the conditions in the hot working step (S2), the coarse vanadium carbide 200 in the cast material is crushed to produce a coarse vanadium carbide 210 smaller than the coarse vanadium carbide 200, and further a solution treatment step (S3). Thus, a part of coarse vanadium carbide 210 is dissolved to produce coarse vanadium carbide 220. Further, after introducing strain (dislocation) into the alloy material by the cold working step (S4), aging heat treatment under the above conditions is performed. In this case, the alloy material subjected to the aging heat treatment is a state in which the coarse vanadium carbide 200 is made sufficiently small by the hot working step (S2) and the solution treatment step (S3) and a part of the vanadium carbide 200 is dissolved. In addition, dislocations functioning as precipitation sites for the fine vanadium carbide 250 are sufficiently introduced. Therefore, as a result of the aging heat treatment under the above-described conditions, a large number of fine vanadium carbides 250 are generated together with the coarse vanadium carbides 220 in the alloy material as shown in the microstructure (D) in FIG. Specifically, in the alloy material after the aging heat treatment step (S5), the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more is less than 2.8 μm, and the equivalent circle diameter is less than 200 nm. The number density of the fine vanadium carbide becomes 50 pieces / μm 2 or more.

時効熱処理温度T5が500℃未満又は800℃より高ければ、微細バナジウム炭化物が十分に析出しない。この場合、合金の強度が十分に高くならず、引張強度が950MPa未満となる。時効熱処理時間が0.5時間未満であれば、微細バナジウム炭化物が十分に析出しない。この場合、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2未満になる。 If the aging heat treatment temperature T5 is less than 500 ° C or higher than 800 ° C, fine vanadium carbide is not sufficiently precipitated. In this case, the strength of the alloy is not sufficiently high, and the tensile strength is less than 950 MPa. If the aging heat treatment time is less than 0.5 hours, fine vanadium carbide is not sufficiently precipitated. In this case, the number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is less than 50 / μm 2 .

以上の製造工程により、本実施形態の低熱膨張合金を製造できる。なお、上述のとおり、式(1)及び式(2)を満たす上記化学組成であって、バナジウム炭化物の総体積率が2.5〜12.5%であり、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上であり、円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満である低熱膨張合金が製造できれば、本実施形態の低熱膨張合金の製造方法は特に限定されない。 The low thermal expansion alloy of this embodiment can be manufactured by the above manufacturing process. As described above, the chemical composition satisfying the formula (1) and the formula (2), the total volume ratio of the vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, and the equivalent circle diameter is less than 200 nm. If a low thermal expansion alloy in which the number density of vanadium carbide is 50 pieces / μm 2 or more and the average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide having a circle equivalent diameter of 1.0 μm or more is less than 2.8 μm can be manufactured, The method for producing the low thermal expansion alloy is not particularly limited.

以下、実施例により本実施形態の低熱膨張合金の一態様の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の低熱膨張合金の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態の低熱膨張合金は、この一条件例に限定されない。   Hereinafter, the effect of one aspect of the low thermal expansion alloy of the present embodiment will be described more specifically by way of examples. The conditions in the following examples are one example of conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the low thermal expansion alloy of the present embodiment. Therefore, the low thermal expansion alloy of this embodiment is not limited to this one condition example.

表1に示す化学組成の供試材を準備した。   Test materials having chemical compositions shown in Table 1 were prepared.

Figure 2019163536
Figure 2019163536

表1中の「−」は対応する元素含有量が検出限界未満であったことを意味する。なお、各試験番号のいずれにおいても、不純物であるP含有量は0.02%以下であり、S含有量は0.005%以下であり、N含有量は0.02%以下であり、O含有量は0.01%以下であった。各供試材を真空中で誘導溶解し、30kg、直径100mmの円柱状のインゴットを製造した。製造されたインゴットを加熱温度T2=1200℃に加熱した後、熱間鍛造(鍛伸)を実施して、試験番号19以外の試験番号では、厚さ16mmの板材を製造し、試験番号19では、厚さ75mmの合金材を製造した。各試験番号の熱間鍛造開始から熱間鍛造完了までのインゴットの温度は、いずれも900℃以上であった。熱間鍛造工程における各パスにおいて、圧下率Pnを求めた。また、熱間鍛造における累積圧下率Ptを求めた。さらに、熱間鍛造時のインゴットの温度を、熱間鍛造機に配置された測温計で測温した。   “-” In Table 1 means that the corresponding element content was less than the detection limit. In any of the test numbers, the P content as an impurity is 0.02% or less, the S content is 0.005% or less, the N content is 0.02% or less, and O The content was 0.01% or less. Each test material was induction-melted in vacuum to produce a cylindrical ingot having a diameter of 30 kg and a diameter of 100 mm. After the manufactured ingot is heated to a heating temperature T2 = 1200 ° C., hot forging (forging) is carried out to produce a plate material with a thickness of 16 mm for test numbers other than test number 19, An alloy material having a thickness of 75 mm was manufactured. The ingot temperatures from the start of hot forging to the completion of hot forging for each test number were all 900 ° C. or higher. In each pass in the hot forging process, the reduction ratio Pn was obtained. Moreover, the cumulative reduction ratio Pt in the hot forging was obtained. Furthermore, the temperature of the ingot at the time of hot forging was measured with a thermometer arranged in the hot forging machine.

表2中の累積圧下率「Pt」欄に各試験番号での累積圧下率Pt(%)を示す。また、表2中の圧下率「Pn」欄において、「○」は、累積圧下率が30.0%となるまでの各パスでの圧下率Pnがいずれも5.0%以上であったことを示す。「×」は、累積圧下率が30.0%となるまでの各パスでの圧下率Pnのいずれかが5.0%未満であったことを示す。   In Table 2, the cumulative reduction rate “Pt” column shows the cumulative reduction rate Pt (%) for each test number. In Table 2, the reduction ratio “Pn” column, “◯” indicates that the reduction ratio Pn in each pass until the cumulative reduction ratio reached 30.0% was 5.0% or more. Indicates. “X” indicates that any of the rolling reduction ratios Pn in each pass until the cumulative rolling reduction ratio reaches 30.0% was less than 5.0%.

Figure 2019163536
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熱間鍛造工程後の板材に対して、溶体化処理を実施した。各試験番号での溶体化処理温度(℃)及び溶体化処理温度T3での保持時間(hr)を表2に示す。溶体化処理工程後の板材に対して、冷間加工を実施した。具体的には、溶体化処理後の板材に対して、冷間圧延を実施した。冷間加工での冷間加工率CWを表2中の「CW」欄に示す。なお、「CW」欄が「0」の場合、冷間加工を実施しなかったことを示す。冷間加工工程後の板材に対して、時効熱処理を実施した。時効熱処理での時効熱処理温度T5(℃)及び時効熱処理温度での保持時間(hr)は表2に示すとおりであった。なお、試験番号31は、時効熱処理を実施しなかった(表2中の時効熱処理温度T5欄及び保持時間欄において、ともに「−」と記載)。   Solution treatment was performed on the plate material after the hot forging step. Table 2 shows the solution treatment temperature (° C.) and the retention time (hr) at the solution treatment temperature T3 for each test number. Cold processing was implemented with respect to the board | plate material after a solution treatment process. Specifically, cold rolling was performed on the plate material after the solution treatment. The cold working rate CW in the cold working is shown in the “CW” column of Table 2. When the “CW” column is “0”, it indicates that cold working has not been performed. Aging heat treatment was performed on the plate material after the cold working process. Table 2 shows the aging heat treatment temperature T5 (° C.) in the aging heat treatment and the holding time (hr) at the aging heat treatment temperature. In Test No. 31, no aging heat treatment was performed (both described as “-” in the aging heat treatment temperature T5 column and the retention time column in Table 2).

以上の製造工程により、各試験番号の低熱膨張合金を製造した。   The low thermal expansion alloy of each test number was manufactured by the above manufacturing process.

[評価試験]
[バナジウム炭化物の総体積率の測定試験]
製造された各試験番号の低熱膨張合金(板材)の板幅中央部から、長さ10mm、幅10mm、厚さ10mmの供試材を作製した。採取された供試材を、10%AA系電解液(10%アセチルアセトン‐1%テトラメチルアンモニウムクロライド‐メタノール電解液)を用いて電解した。電解時の電流は20mA/cm2とした。電解により得られた電解液を、孔径が200nmのフィルタでろ過して残渣の質量を測定した。ここで、上記フィルタでろ過して得られた残渣が、全てバナジウム炭化物であるとみなした。電解前の供試材の総質量と、電解後の供試材の総質量とから、電解量の質量を求めた。電解量の質量と残渣の質量とから、バナジウム炭化物のモル分率を算出した。次に、求めたモル分率を用い、マトリクス(低熱膨張合金)の格子定数と、バナジウム炭化物の格子定数に基づいて、バナジウム炭化物の総体積率(体積%)を算出した。ここで、マトリクス(低熱膨張合金)の格子定数は3.59Åとし、バナジウム炭化物の格子定数を4.17Åとした。得られたバナジウム炭化物の総体積率(体積%)を表3に示す。
[Evaluation test]
[Measurement test of total volume fraction of vanadium carbide]
A test material having a length of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 10 mm was produced from the center portion of the plate width of the manufactured low thermal expansion alloy (plate material) of each test number. The collected specimens were electrolyzed using a 10% AA electrolyte (10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride-methanol electrolyte). The current during electrolysis was 20 mA / cm 2 . The electrolytic solution obtained by electrolysis was filtered through a filter having a pore size of 200 nm, and the mass of the residue was measured. Here, all the residues obtained by filtering with the filter were considered to be vanadium carbide. From the total mass of the test material before electrolysis and the total mass of the test material after electrolysis, the mass of the electrolysis amount was determined. The molar fraction of vanadium carbide was calculated from the mass of electrolysis and the mass of the residue. Next, the total volume fraction (% by volume) of the vanadium carbide was calculated based on the lattice constant of the matrix (low thermal expansion alloy) and the lattice constant of the vanadium carbide using the determined mole fraction. Here, the lattice constant of the matrix (low thermal expansion alloy) was 3.59 and the lattice constant of vanadium carbide was 4.17. Table 3 shows the total volume ratio (% by volume) of the obtained vanadium carbide.

Figure 2019163536
Figure 2019163536

[微細バナジウム炭化物の個数密度の測定試験]
製造された各試験番号の低熱膨張合金(板材)の板幅中央部から、供試材を採取した。供試材を機械研磨して、70μmの厚さにした。さらに、供試材の表面(観察面)を、ツインジェット研磨法(電解液:過塩素酸メタノール(過塩素酸10%、メタノール90%))により研磨した。研磨された供試材の観察面に対して透過型電子顕微鏡を用いて、顕微鏡観察を実施した。観察視野は300nm×500nmとした。微細バナジウム炭化物の回折スポットを用いて結像させた暗視野像を得た。画像ソフトにより、円相当径が1nm以上かつ200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度を測定した。微細バナジウム炭化物の個数を暗視野像の視野面積で割って、本実施形態の微細バナジウム炭化物の個数密度(個/μm2)とした。得られた微細バナジウム炭化物の個数密度を表3に示す。
[Measurement test of number density of fine vanadium carbide]
A test material was collected from the center of the width of the manufactured low thermal expansion alloy (plate material) of each test number. The specimen was mechanically polished to a thickness of 70 μm. Furthermore, the surface (observation surface) of the test material was polished by a twin jet polishing method (electrolytic solution: methanol perchlorate (perchloric acid 10%, methanol 90%)). Microscopic observation was carried out on the observation surface of the polished specimen using a transmission electron microscope. The observation visual field was 300 nm × 500 nm. A dark field image formed using a diffraction spot of fine vanadium carbide was obtained. The number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1 nm or more and less than 200 nm was measured by image software. The number of fine vanadium carbides was divided by the field area of the dark field image to obtain the number density (pieces / μm 2 ) of the fine vanadium carbides of this embodiment. The number density of the obtained fine vanadium carbide is shown in Table 3.

[粗大バナジウム炭化物の平均円相当径]
製造された各試験番号の低熱膨張合金(板材)の板幅中央部から、観察面が鍛伸方向及び板厚方向に平行になるように供試材を採取した。供試材の観察面をエミリー紙で研磨し、その後、ダイヤモンドを使用してバフ研磨を実施した。研磨された供試材の観察面中の任意の28視野に対して、走査型電子顕微鏡を用いて反射電子像を得た。各視野は180μm×420μmとした。得られた反射電子像を画像解析ソフトを用いて、二値化処理を実施し、析出物と母相とを区別した。さらに、表1の化学組成の低熱膨張合金のミクロ組織において、バナジウム炭化物以外の析出物は存在しないとみなすことができた。したがって、二値化処理により、バナジウム炭化物を特定することができた。特定された各バナジウム炭化物の円相当径を求めた。そして、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物を特定した。28箇所の視野にて特定された、円相当径が1.0μm以上のバナジウム炭化物の平均円相当径を求めた。平均円相当径は小数第二位を四捨五入した値とした。得られた粗大バナジウム炭化物の円相当径(μm)を表3に示す。
[Average equivalent circular diameter of coarse vanadium carbide]
A test material was collected from the center portion of the plate width of the manufactured low thermal expansion alloy (plate material) of each test number so that the observation surface was parallel to the forging direction and the plate thickness direction. The observation surface of the test material was polished with Emily paper, and then buffed using diamond. Reflected electron images were obtained using a scanning electron microscope for any 28 fields in the observation surface of the polished specimen. Each field of view was 180 μm × 420 μm. The obtained backscattered electron image was binarized using image analysis software to distinguish the precipitate from the matrix. Further, in the microstructure of the low thermal expansion alloy having the chemical composition shown in Table 1, it could be considered that no precipitate other than vanadium carbide was present. Therefore, vanadium carbide could be specified by the binarization process. The equivalent circle diameter of each identified vanadium carbide was determined. And the vanadium carbide | carbonized_material whose circular equivalent diameter is 1.0 micrometer or more was specified. The average equivalent circle diameter of vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more, which was specified in 28 visual fields, was determined. The average equivalent circle diameter was rounded off to the second decimal place. Table 3 shows the equivalent-circle diameter (μm) of the obtained coarse vanadium carbide.

[熱膨張係数測定試験]
製造された各試験番号の低熱膨張合金(板材)の板幅中央部から、直径3mm、長さ15mmの円柱状の試験片を作製した。試験片の長手方向は、鍛伸方向と平行とした。試験片を用いて、熱膨張係数を求めた。具体的には、熱膨張係数の測定には、水平型示差膨張式機械分析装置を用いた。試験片を5℃/minの速度で昇温し、30〜100℃の平均熱膨張係数を求めた。結果を表3に示す。
[Thermal expansion coefficient measurement test]
A cylindrical test piece having a diameter of 3 mm and a length of 15 mm was produced from the center portion of the plate width of the manufactured low thermal expansion alloy (plate material) of each test number. The longitudinal direction of the test piece was parallel to the forging direction. The thermal expansion coefficient was calculated | required using the test piece. Specifically, a horizontal differential expansion mechanical analyzer was used for measuring the thermal expansion coefficient. The test piece was heated at a rate of 5 ° C./min to obtain an average coefficient of thermal expansion of 30 to 100 ° C. The results are shown in Table 3.

[ヤング率測定試験]
製造された各試験番号の低熱膨張合金(板材)の板幅中央部から、長さ60mm、幅10mm、厚さ1.5mmの試験片を作製した。試験片を用いてヤング率を求めた。具体的には、ヤング率の測定は、横共振法の測定装置を用いた。JIS Z 2280(1993)に基づいてヤング率を求めた。測定されたヤング率を表3に示す。
[Young's modulus measurement test]
A test piece having a length of 60 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1.5 mm was produced from the plate width central portion of the manufactured low thermal expansion alloy (plate material) of each test number. The Young's modulus was determined using the test piece. Specifically, the Young's modulus was measured using a lateral resonance measuring device. The Young's modulus was determined based on JIS Z 2280 (1993). Table 3 shows the measured Young's modulus.

[引張試験]
製造された各試験番号の低熱膨張合金(板材)の板幅中央部から、平行部の直径が6mm、平行部の長さが65mmの丸棒引張試験片を作製した。平行部は、熱間鍛伸方向と平行とした。作製された引張試験片に歪ゲージを貼り付けた。その後、引張試験片を用いて、常温、大気中にて引張試験を実施し、応力−歪曲線を得た。得られた応力−歪曲線を用いて、引張強度TS(MPa)及び伸び(破断伸び)EL(%)を求めた。さらに、得られた引張強度TSと伸びELとの積(TS×EL)を求めた。得られた引張強度TS(MPa)及び引張強度と伸びとの積TS×EL(MPa・%)を表3に示す。
[Tensile test]
A round bar tensile test piece having a parallel part diameter of 6 mm and a parallel part length of 65 mm was prepared from the center part of the plate width of the manufactured low thermal expansion alloy (plate material) of each test number. The parallel part was parallel to the hot forging direction. A strain gauge was affixed to the produced tensile test piece. Thereafter, a tensile test was performed at room temperature and in the air using a tensile test piece to obtain a stress-strain curve. Using the obtained stress-strain curve, the tensile strength TS (MPa) and the elongation (breaking elongation) EL (%) were determined. Furthermore, the product (TS × EL) of the obtained tensile strength TS and elongation EL was determined. Table 3 shows the obtained tensile strength TS (MPa) and the product TS × EL (MPa ·%) of tensile strength and elongation.

[評価結果]
表1〜表3を参照して、試験番号1〜11の合金の化学組成は適切であり、式(1)及び式(2)を満たした。さらに、バナジウム炭化物の総体積率は2.5〜12.5%であり、円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物の個数密度が50個/μm2以上であり、円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μ未満であった。そのため、これらの試験番号の熱膨張係数は4×10-6/℃以下と低く、ヤング率は150GPa以上と高かった。さらに、引張強度は950MPa以上であり、引張強度と伸びとの積(TS×EL)が5000以上であった。
[Evaluation results]
Referring to Tables 1 to 3, the chemical compositions of the alloys of test numbers 1 to 11 were appropriate and satisfied the formulas (1) and (2). Further, the total volume ratio of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%, the number density of fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 50 pieces / μm 2 or more, and the equivalent circle diameter is 1.0 μm. The average equivalent circular diameter of the coarse vanadium carbide was less than 2.8 μm. Therefore, the thermal expansion coefficients of these test numbers were as low as 4 × 10 −6 / ° C. or less, and the Young's modulus was as high as 150 GPa or more. Furthermore, the tensile strength was 950 MPa or more, and the product of tensile strength and elongation (TS × EL) was 5000 or more.

一方、試験番号12の合金のC含有量及びV含有量は低かった。そのため、試験番号12の合金のバナジウム炭化物の総体積率は2.5%未満であった。その結果、試験番号16の合金のヤング率は150GPa未満であった。   On the other hand, the C content and V content of the alloy of test number 12 were low. Therefore, the total volume fraction of vanadium carbide of the alloy of test number 12 was less than 2.5%. As a result, the alloy of test number 16 had a Young's modulus of less than 150 GPa.

試験番号13の合金のNi含有量は高かった。そのため、試験番号13の合金の熱膨張係数は4.00×10-6/℃を超えた。 The Ni content of the test number 13 alloy was high. Therefore, the thermal expansion coefficient of the alloy of test number 13 exceeded 4.00 × 10 −6 / ° C.

試験番号14の合金のNi含有量は低かった。そのため、試験番号14の合金の熱膨張係数は4.00×10-6/℃を超えた。 The Ni content of the alloy of test number 14 was low. Therefore, the thermal expansion coefficient of the alloy of test number 14 exceeded 4.00 × 10 −6 / ° C.

試験番号15の合金のCr含有量は高かった。その結果、試験番号15の熱膨張係数は、4.00×10-6/℃を超えた。 The Cr content of the test number 15 alloy was high. As a result, the thermal expansion coefficient of test number 15 exceeded 4.00 × 10 −6 / ° C.

試験番号16の化学組成は適切であったものの、F1値が高すぎ、式(1)を満たさなかった。その結果、試験番号16の熱膨張係数は、4.00×10-6/℃を超えた。 Although the chemical composition of test number 16 was appropriate, the F1 value was too high and did not satisfy the formula (1). As a result, the thermal expansion coefficient of test number 16 exceeded 4.00 × 10 −6 / ° C.

試験番号17の合金の化学組成は適切であったものの、F2が式(2)の下限未満であった。そのため、試験番号17の合金の微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、試験番号17の合金の引張強度は950MPa未満であった。 Although the chemical composition of the test number 17 alloy was appropriate, F2 was less than the lower limit of the formula (2). Therefore, the number density of fine vanadium carbide in the alloy of test number 17 was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength of the alloy of test number 17 was less than 950 MPa.

試験番号18の合金の化学組成は適切であったものの、F2が式(2)の上限を超えた。そのため、試験番号18の合金の微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、試験番号18の合金の引張強度は950MPa未満であった。 Although the chemical composition of the alloy of test number 18 was appropriate, F2 exceeded the upper limit of formula (2). Therefore, the number density of fine vanadium carbide of the alloy of test number 18 was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength of the alloy of test number 18 was less than 950 MPa.

試験番号19の合金の化学組成は適切であったものの、熱間加工工程での累積圧下率Ptが30.0%未満であった。そのため、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm以上となった。その結果、試験番号19の合金の引張強度は950MPa未満であり、引張強度と伸びとの積(TS×EL)が5000未満であった。   Although the chemical composition of the test No. 19 alloy was appropriate, the cumulative rolling reduction Pt in the hot working process was less than 30.0%. Therefore, the average equivalent circle diameter of the coarse vanadium carbide was 2.8 μm or more. As a result, the tensile strength of the alloy of test number 19 was less than 950 MPa, and the product of tensile strength and elongation (TS × EL) was less than 5000.

試験番号20及び21では、合金の化学組成は適切であったものの、累積圧下率が30.0%になるまでの各パスでの圧下率において、5%未満となるパスが存在した。そのため、粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm以上となった。その結果、試験番号20及び21の合金の引張強度は950MPa未満であり、引張強度と伸びとの積(TS×EL)が5000未満であった。   In test numbers 20 and 21, although the chemical composition of the alloy was appropriate, there was a pass that was less than 5% in the reduction rate in each pass until the cumulative reduction rate reached 30.0%. Therefore, the average equivalent circle diameter of the coarse vanadium carbide was 2.8 μm or more. As a result, the tensile strengths of the alloys of test numbers 20 and 21 were less than 950 MPa, and the product of tensile strength and elongation (TS × EL) was less than 5000.

試験番号22の合金の化学組成は適切であり、式(1)及び式(2)を満たしたものの、溶体化処理温度が1000℃未満であった。そのため、微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、引張強度は950MPa未満であった。 Although the chemical composition of the alloy of the test number 22 was appropriate and satisfy | filled Formula (1) and Formula (2), solution treatment temperature was less than 1000 degreeC. Therefore, the number density of the fine vanadium carbide was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength was less than 950 MPa.

試験番号23〜25では、合金の化学組成は適切であったものの、冷間加工工程を実施しなかった。さらに、試験番号26〜28では、冷間加工工程での冷間加工率が20.0%未満であった。そのため、微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、引張強度は950MPa未満であった。 In test numbers 23 to 25, although the chemical composition of the alloy was appropriate, the cold working process was not performed. Furthermore, in the test numbers 26 to 28, the cold working rate in the cold working process was less than 20.0%. Therefore, the number density of the fine vanadium carbide was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength was less than 950 MPa.

試験番号29では、合金の化学組成は適切であったものの、時効熱処理温度が800℃を超えた。そのため、微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、引張強度は950MPa未満であった。 In Test No. 29, the chemical composition of the alloy was appropriate, but the aging heat treatment temperature exceeded 800 ° C. Therefore, the number density of the fine vanadium carbide was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength was less than 950 MPa.

試験番号30では、合金の化学組成は適切であったものの、時効熱処理温度が500℃未満であった。そのため、微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、引張強度は950MPa未満であった。 In Test No. 30, the chemical composition of the alloy was appropriate, but the aging heat treatment temperature was less than 500 ° C. Therefore, the number density of the fine vanadium carbide was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength was less than 950 MPa.

試験番号31の合金の化学組成は適切であったものの、時効熱処理を実施しなかった。そのため、微細バナジウム炭化物の個数密度は50個/μm2未満であった。その結果、引張強度は950MPa未満であった。 Although the chemical composition of the alloy of test number 31 was appropriate, no aging heat treatment was performed. Therefore, the number density of the fine vanadium carbide was less than 50 / μm 2 . As a result, the tensile strength was less than 950 MPa.

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above-described embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately changing the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

Claims (6)

低熱膨張合金であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.20〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
V:0.80〜10.00%、
Ni:30.00〜40.00%、
Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、
Co:0〜10.00%、
Cr:0〜3.00%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)及び式(2)を満たし、
前記低熱膨張合金中において、
バナジウム炭化物の体積率が2.5〜12.5%であり、
円相当径が200nm未満の微細バナジウム炭化物が50個/μm2以上であり、
円相当径が1.0μm以上の粗大バナジウム炭化物の平均円相当径が2.8μm未満である、
低熱膨張合金。
30.00≦Ni+Co≦40.00 (1)
−0.50<V−50.94/12.01×C<2.00 (2)
ここで、式(1)及び式(2)の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
A low thermal expansion alloy,
Chemical composition is mass%,
C: 0.20 to 2.00%
Mn: 0.05-2.00%
V: 0.80 to 10.00%,
Ni: 30.00-40.00%,
One or more selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%;
Co: 0 to 10.00%,
Cr: 0 to 3.00%, and
Balance: Fe and impurities,
Satisfying the equations (1) and (2),
In the low thermal expansion alloy,
The volume fraction of vanadium carbide is 2.5 to 12.5%,
Fine vanadium carbide having an equivalent circle diameter of less than 200 nm is 50 pieces / μm 2 or more,
The average equivalent circle diameter of coarse vanadium carbide having an equivalent circle diameter of 1.0 μm or more is less than 2.8 μm.
Low thermal expansion alloy.
30.00 ≦ Ni + Co ≦ 40.00 (1)
−0.50 <V−50.94 / 12.01 × C <2.00 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted into the element symbols of the formulas (1) and (2).
請求項1に記載の低熱膨張合金であって、
前記化学組成は、
Co:0.10〜10.00%を含有する、
低熱膨張合金。
The low thermal expansion alloy according to claim 1,
The chemical composition is
Co: 0.10 to 10.00% is contained,
Low thermal expansion alloy.
請求項1又は請求項2に記載の低熱膨張合金であって、
前記化学組成は、
Cr:1.00〜3.00%を含有する、
低熱膨張合金。
The low thermal expansion alloy according to claim 1 or 2,
The chemical composition is
Containing Cr: 1.00 to 3.00%,
Low thermal expansion alloy.
化学組成が、質量%で、
C:0.20〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
V:0.80〜10.00%、
Ni:30.00〜40.00%、
Si:0超〜0.50%、及び、Al:0超〜0.100%からなる群から選択される1種以上、
Co:0〜10.00%、
Cr:0〜3.00%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)及び式(2)を満たす素材を1150〜1300℃に加熱した後、熱間鍛造して合金材を製造する熱間鍛造工程であって、前記熱間鍛造工程での累積圧下率を30.0%以上とし、前記累積圧下率が30.0%になるまでの1パスあたりの圧下率を5.0%以上とし、熱間鍛造中の前記素材の温度を900℃以上とする、熱間鍛造工程と、
前記熱間鍛造工程後の前記合金材に対して、1000〜1300℃で0.5時間以上保持する溶体化処理を実施する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後の前記合金材に対して、20.0%以上の冷間加工率で冷間加工を実施する冷間加工工程と、
前記冷間加工工程後の前記合金材に対して、500〜800℃で0.5時間以上保持して時効熱処理を実施する時効熱処理工程とを備える、
低熱膨張合金の製造方法。
Chemical composition is mass%,
C: 0.20 to 2.00%
Mn: 0.05-2.00%
V: 0.80 to 10.00%,
Ni: 30.00-40.00%,
One or more selected from the group consisting of Si: more than 0 to 0.50% and Al: more than 0 to 0.100%;
Co: 0 to 10.00%,
Cr: 0 to 3.00%, and
Balance: Fe and impurities,
A hot forging process in which an alloy material is manufactured by hot forging after heating a material satisfying the formula (1) and the formula (2) to 1150 to 1300 ° C., in the hot forging process The cumulative reduction rate is 30.0% or more, the reduction rate per pass until the cumulative reduction rate becomes 30.0% is 5.0% or more, and the temperature of the material during hot forging is 900 ° C. A hot forging process,
A solution treatment step for carrying out a solution treatment for holding at 1000 to 1300 ° C. for 0.5 hours or more with respect to the alloy material after the hot forging step;
A cold working step of performing cold working at a cold working rate of 20.0% or more on the alloy material after the solution treatment step;
With respect to the alloy material after the cold working step, an aging heat treatment step of performing an aging heat treatment by holding at 500 to 800 ° C. for 0.5 hours or more,
A method for producing a low thermal expansion alloy.
請求項4に記載の低熱膨張合金の製造方法であって、
前記化学組成は、
Co:0.10〜10.00%を含有する、
低熱膨張合金の製造方法。
It is a manufacturing method of the low thermal expansion alloy of Claim 4, Comprising:
The chemical composition is
Co: 0.10 to 10.00% is contained,
A method for producing a low thermal expansion alloy.
請求項4又は請求項5に記載の低熱膨張合金の製造方法であって、
前記化学組成は、
Cr:1.00〜3.00%を含有する、
低熱膨張合金の製造方法。
A method for producing a low thermal expansion alloy according to claim 4 or 5, wherein
The chemical composition is
Containing Cr: 1.00 to 3.00%,
A method for producing a low thermal expansion alloy.
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