JP2022024358A - 低熱膨張鋳物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温でも十分な強度を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を提供する。【解決手段】本発明の低熱膨張鋳物は、質量%で、C:0~0.100%、Si:0~1.00%、Mn:0~1.00%、Nb:0.50~3.50%、Co:13.00~17.50%、及び-3.5×%Ni+115≦%Co≦-3.5×%Ni+121を満たすNi(%Ni、%Coは、それぞれNi、Coの含有量(質量%))を含有し残部がFe及び不可避的不純物である鋳物に適切な熱処理を施すことにより、400℃における引張試験の0.2%耐力が140MPa以上、25~350℃における平均熱膨張係数が6.0ppm/℃以下、キュリー温度が300℃以上となる。【選択図】なし
Description
本発明は低熱膨張鋳物に関し、特に、高温強度に優れた低熱膨張鋳物に関する。
近年の通信技術の発展に伴い、その送受信設備に使用するパラボラアンテナ等は非常に大型化し低熱膨張性はもとより、その加工精度、すなわち、鋳造性、被削性、振動吸収能および機械的強度などが高いものが要求される。たとえば、アンテナ反射体としては、高い剛性と耐食性を有するカーボン繊維強化プラスチック(CFRP)が一般的に用いられている。
CFRPの熱膨張係数は鋼に比較して小さく、成形後においても高い寸法精度を確保するためには、成形用金型を、同程度の熱膨張係数を有する材料で構成する必要がある。そのため、インバー合金や、スーパーインバー合金が成形用金型の材料として選択される。
特許文献1は、成形用金型として、オーステナイト基地鉄中に黒鉛組織を有する鋳鉄において、重量%で表示した成分組成として固溶炭素を0.09%以上0.43%以下、ケイ素1.0%未満、ニッケル29%以上34%以下、コバルト4%以上8%以下を含み残部鉄から成り、0~200℃の温度範囲における熱膨張係数が4×10-6/℃以下である低熱膨張鋳鉄を用いることを開示している。
特許文献2は、CFRP金型を含む超精密機器の部材として、C:0.1wt.%以下、Si:0.1~0.4wt.%、Mn:0.15~0.4wt.%、Ti:2超~4wt.%、Al:1wt.%以下、Ni:30.7~43.0wt.%、及び、Co:14wt.%以下を含み、且つ、前記Ni及びCoの含有率が、下記(1)式を満たし、残部Fe及び不可避不純物からなる成分組成を有し、そして、-40℃~100℃の温度範囲における熱膨張係数が、4×10-6/℃以下で、且つ、ヤング率が、16100kgf/mm2以上である、熱的形状安定性及び剛性に優れた合金鋼を使用することを開示している。
37.7≦Ni+0.8×Co≦43 (1)
従来のCFRP成形金型に用いられているインバー合金、スーパーインバー合金は、金型の使用温度域である高温での強度が低く、そのため、金型が損傷しやすいという解決すべき課題がある。
本発明は、上記の事情に鑑み、CFRP金型の使用温度域である400℃でも十分な強度を有し、かつ、25~350℃の範囲で低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を提供することを課題とする。
本発明者らは、低熱膨張鋳物において、高温での耐力を高める方法について鋭意検討した。その結果、Fe-Ni-Co合金において、NiとCoの含有量を適切な範囲に制御し、さらに、鋳造後に適切な熱処理を施すことにより、Ti、Alなど高価な合金元素を用いることなく、高温での耐力を高めることが可能であることを見出した。
本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
(1)成分組成が、質量%で、C:0~0.100%、Si:0~1.00%、Mn:0~1.00%、Nb:0.50~3.50%、Co:13.00~17.50%、及び-3.5×%Ni+115≦%Co≦-3.5×%Ni+121を満たすNi(%Ni、%Coは、それぞれNi、Coの含有量(質量%))を含有し、残部がFe及び不可避的不純物であり、400℃における引張試験の0.2%耐力が140MPa以上、25~350℃における平均熱膨張係数が6.0ppm/℃以下、キュリー温度が300℃以上であることを特徴とする低熱膨張鋳物。
(2)前記(1)の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温するクライオ処理工程、及び
鋳物を800~1200℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する再結晶処理工程を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。
鋳物を800~1200℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する再結晶処理工程を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。
(3)前記(1)の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温する第1クライオ処理工程、
鋳物を800~1200℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する再結晶処理工程、鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温する第2クライオ処理工程、及び鋳物を600~750℃に加熱し,0.5~5hr保持した後急冷する逆変態処理工程を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。
鋳物を800~1200℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する再結晶処理工程、鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温する第2クライオ処理工程、及び鋳物を600~750℃に加熱し,0.5~5hr保持した後急冷する逆変態処理工程を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。
(4)前記(1)の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温するクライオ処理工程、鋳物を600~750℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する逆変態処理工程を順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。
本発明によれば、高温域で高い耐力を有し、さらに低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を得られるので、高温下で用いられるCFRP金型等の超精密機器の部材に適用できる。
以下、本発明について詳細に説明する。以下、成分組成に関する「%」は特に断りのない限り「質量%」を表すものとする。はじめに、本発明の鋳物の成分組成について説明する。
本発明において、Ni、Coは、組み合わせて添加することにより熱膨張係数の低下に寄与する必須の元素である。特に本発明においては、キュリー温度を300℃以上とするために、Coを一定量以上含有させ、さらに熱膨張係数を、広い温度範囲で十分に小さくするために、Co量に応じて適切なNi量を含有させる。Ni、Co量が多すぎると、Ms点が低くなりすぎ、後述する冷却によりマルテンサイト変態を生じさせるのが困難になるので、それも考慮して、Ni量、Co量の範囲を定める。
キュリー温度を300℃以上とし、さらに熱膨張係数を、広い温度範囲で十分に小さくするため、Coの含有量は13.00~17.50%、Ni含有量は、Coの含有量を%Co(質量%)、Niの含有量を%Ni(質量%)としたとき、-3.5×%Ni+115≦%Co≦-3.5×%Ni+121を満たす範囲とする。
キュリー温度を300℃以上とするのは、高温においても低い熱膨張係数を得るためである。キュリー温度と熱膨張係数の間には密接な関係があり、インバー合金では、キュリー温度以下では、熱膨張係数は0に近い値となるが、キュリー温度を超えると熱膨張係数は急激に増加する。本発明の低熱膨張鋳物はCFRP金型の使用温度域である400℃付近での使用を想定しており、この温度域での熱膨張係数を低い値とするために、キュリー温度を300℃以上とする。
Cは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与するので、必要に応じて含有させてもよい。この効果は少量でも得られるが、C量を0.010%以上とすると効果的であり、好ましい。Cの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなり、さらに、延性が低下して、鋳造割れが生じやすくなるので、含有量は0.100%以下、好ましくは0.050%以下、より好ましくは0.020%以下とする。本発明の低熱膨張鋳物においては、Cは必須の元素ではなく、含有量は0でもよい。
Siは、脱酸材として添加してもよい。また、溶湯の流動性を向上させることができる。この効果は少量でも得られるが、Si量を0.05%以上とすると効果的であり、好ましい。Si量が1.00%を超えると熱膨張係数が増加するので、Si量は1.00%以下、好ましくは0.50%以下、より好ましくは0.20%以下とする。本発明の低熱膨張鋳物においては、Siは必須の元素ではなく、含有量は0でもよい。
Mnは、脱酸材として添加してもよい。また、固溶強化による強度向上にも寄与する。この効果は少量でも得られるが、Mn量を0.10%以上とすると効果的であり、好ましい。Mnの含有量が1.00%を超えても効果が飽和し、コスト高となるので、Mn量は1.00%以下、好ましくは0.50%以下とする。本発明の低熱膨張鋳物においては、Mnは必須の元素ではなく、含有量は0でもよい。
Nbは、オーステナイト中に固溶し、固溶強化作用により、高温での耐力を向上させる元素である。また、溶湯中で接種材として働き、凝固核を生成しやすくする元素でもある。これらの効果を得るために、Nb量は0.50%以上とする。Nb量が多くなると靭性の劣化が大きくなるので、含有量は3.50%以下とする。
成分組成の残部は、Fe及び不可避的不純物である。不可避的不純物とは、本発明で規定する成分組成を有する鋼を工業的に製造する際に、原料や製造環境等から不可避的に混入するものをいう。具体的には、0.02%以下のP、S、O、Nなどが挙げられる。
次に、本発明の低熱膨張鋳物の製造方法について説明する。
はじめに、鋳造により、所望の成分組成を有する鋳物を製造する。鋳造に用いる鋳型や、鋳型への溶鋼の注入装置、注入方法は特に限定されるものではなく、公知の装置、方法を用いればよい。
得られた鋳物に、以下の何れかの熱処理を施す。
[1] 第1クライオ処理工程→再結晶処理工程
[2] 第1クライオ処理工程→再結晶処理工程→第2クライオ処理工程→逆変態処理工程
[3] 第1クライオ処理工程→逆変態処理工程
[2] 第1クライオ処理工程→再結晶処理工程→第2クライオ処理工程→逆変態処理工程
[3] 第1クライオ処理工程→逆変態処理工程
それぞれの工程について説明する。
(第1クライオ処理工程)
鋳物を、Ms点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持した後、室温まで昇温する。冷却の方法は特に限定されない。なお、ここでいうMs点は、本発明の効果が発現される前の段階でのMs点である。冷却温度はMs点よりも十分に低い温度とすればよいので、この段階での正確なMs点がわかる必要はない。一般的に、Ms点は鋼の成分を用いて、下記の式で推定できる。
鋳物を、Ms点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持した後、室温まで昇温する。冷却の方法は特に限定されない。なお、ここでいうMs点は、本発明の効果が発現される前の段階でのMs点である。冷却温度はMs点よりも十分に低い温度とすればよいので、この段階での正確なMs点がわかる必要はない。一般的に、Ms点は鋼の成分を用いて、下記の式で推定できる。
Ms=521-353C-22Si-24.3Mn-7.7Cu-17.3Ni
-17.7Cr-25.8Mo
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Moは各元素の含有量(質量%)である。含有しない元素は0とする。
-17.7Cr-25.8Mo
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Moは各元素の含有量(質量%)である。含有しない元素は0とする。
本発明の低熱膨張鋳物の成分組成の場合、上式で計算されるMs点は、特にNi量に依存して、室温から-100℃以下程度となるので、冷却媒体としては-80℃まではドライアイスとメチルアルコールあるいはエチルアルコールが用いることができる。さらに低温の-196℃までは液体窒素に浸漬する方法あるいは液体窒素を噴霧する方法が用いることができる。これに依り、マルテンサイトを含有した組織が形成される。また、昇温は室温の大気中に引き上げることで行えばよい。
(再結晶処理工程)
鋳物を800~1200℃まで再加熱し、800~1200℃で0.5~5hr保持し、室温まで急冷する。これにより、マルテンサイトが形成された組織はオーステナイト組織へと戻る。通常の凝固により形成される組織の結晶粒径は1~10mm程度であるが、上記のクライオ処理工程と、その後の再結晶処理工程を経ることでで、オーステナイト粒径は微細化するとともに、結晶方位がランダムな等軸晶中心の組織となり、急冷後の組織は、平均粒径が30~800μm程度の微細な等軸晶の組織となる。これにより、ヤング率を高めることができ、また、400℃における高い0.2%耐力を得ることができる。急冷の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。
鋳物を800~1200℃まで再加熱し、800~1200℃で0.5~5hr保持し、室温まで急冷する。これにより、マルテンサイトが形成された組織はオーステナイト組織へと戻る。通常の凝固により形成される組織の結晶粒径は1~10mm程度であるが、上記のクライオ処理工程と、その後の再結晶処理工程を経ることでで、オーステナイト粒径は微細化するとともに、結晶方位がランダムな等軸晶中心の組織となり、急冷後の組織は、平均粒径が30~800μm程度の微細な等軸晶の組織となる。これにより、ヤング率を高めることができ、また、400℃における高い0.2%耐力を得ることができる。急冷の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。
(第2クライオ処理工程)
再結晶処理に続いて、鋳物を再度、Ms点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持した後、室温まで昇温する。第2クライオ処理工程の冷却、昇温は第1クライオ処理工程と同様に行えばよい。この処理により、鋳物の組織は、再度マルテンサイトを含有する組織となる。
再結晶処理に続いて、鋳物を再度、Ms点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持した後、室温まで昇温する。第2クライオ処理工程の冷却、昇温は第1クライオ処理工程と同様に行えばよい。この処理により、鋳物の組織は、再度マルテンサイトを含有する組織となる。
(逆変態処理工程)
クライオ処理に続いて、鋳物を600~750℃に加熱し、0.5~5hr保持した後、室温まで急冷することにより、組織をオーステナイトとする。クライオ処理工程で組織がマルテンサイト変態した際には塑性変形が生じる。その際のひずみ(転位)が、逆変態処理によりオーステナイトとなった組織に残留する。これにより、400℃におけるより高い0.2%耐力を得ることができる。
クライオ処理に続いて、鋳物を600~750℃に加熱し、0.5~5hr保持した後、室温まで急冷することにより、組織をオーステナイトとする。クライオ処理工程で組織がマルテンサイト変態した際には塑性変形が生じる。その際のひずみ(転位)が、逆変態処理によりオーステナイトとなった組織に残留する。これにより、400℃におけるより高い0.2%耐力を得ることができる。
マルテンサイト組織は600℃以上に加熱することによりオーステナイトに戻るが、加熱温度が750℃を超えると転位を駆動力としてオーステナイトが再結晶するので、加熱温度は750℃以下とする。なお、クライオ処理工程とそれに続く逆変態処理工程により、オーステナイト結晶粒の大きさは変化しない。
上述のどおり、クライオ処理工程→再結晶処理工程により、高いヤング率、及び400℃における高い0.2%耐力を得ることができ、クライオ処理工程→逆変態処理工程により、400℃におけるより高い0.2%耐力を得ることができるので、必要な特性に応じて、上記の[1]~[3]の工程を選択すればよい。
第1クライオ処理工程、第2クライオ処理工程後に、鋳物を300~500℃に加熱して、2~6hr保持する調質処理工程を設けてもよい。調質処理工程は、第1クライオ処理工程、第2クライオ処理工程のいずれか一方の後のみに設けてもよいし、両方の工程の後に設けてもよい。調質により後の再結晶及び逆変態の温度が低下することがあり、処理が効率化できることがある。
第1クライオ処理工程の前に、鋳物を800~1200℃に加熱して、0.5~5hr保持し、室温まで急冷する溶体化処理工程を設けてもよい。溶体化により、鋳造時に析出した析出物が固溶して、延性、靭性が向上する。急冷の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。
鋳物を製造する際には、溶湯に接種材としてTi、B、Mg、Ce、Laを含有させることにより、凝固核を生成しやすくしてもよい。また、通常鋳型に塗布される塗型材とともに、Co(AlO2)、CoSiO3、Co-borate等のような接種材を鋳型表面に塗ることにより、凝固核が生成しやすくしてもよい。さらに、鋳型内の溶湯を、電磁撹拌装置を用いた方法、鋳型を機械的に振動させる方法、溶湯を超音波で振動させる方法などで、撹拌、流動させてもよい。これらの方法を適用することで、鋳物の組織がより等軸晶となりやすくなるため、より効率よく、本発明の低熱膨張鋳物が製造できるようになる。
本発明の低熱膨張鋳物の優れた高温強度は、400℃における引張試験の結果により評価できる。具体的には、本発明の低熱膨張鋳物は、400℃における引張試験で測定された0.2%耐力が140MPa以上の特性を有する。
本発明の低熱膨張鋳物は、さらに、25~350℃における平均熱膨張係数が6.0ppm/℃以下と、広い温度範囲で低い熱膨張係数を得ることができる。平均熱膨張係数が4.0~6.0ppmとなるように成分を調整すると、CFRPの熱膨張係数と整合するので、CFRP成形用金型の部材として好適である。
本発明の低熱膨張鋳物は高いキュリー温度を有するので高温でも熱膨張係数が大きく増加すること無く、高い高温耐力を有するので、CFRP金型等高温で使用される超精密機器の部材に使用しても、損傷を押さえることができる。
高周波溶解炉を用いて、表1に示す成分組成となるように調整した溶湯を鋳型に注湯しYブロックを製造した。その後、以下に示す熱処理を施した。
処理No.1:
第1クライオ処理工程→再結晶処理工程
処理No.2:
第1クライオ処理工程→再結晶処理工程→第2クライオ処理工程→逆変態処理工程
処理No.3:
第1クライオ処理工程→逆変態処理工程
処理No.0:
熱処理なし
第1クライオ処理工程→再結晶処理工程
処理No.2:
第1クライオ処理工程→再結晶処理工程→第2クライオ処理工程→逆変態処理工程
処理No.3:
第1クライオ処理工程→逆変態処理工程
処理No.0:
熱処理なし
第1クライオ処理工程では、Yブロックを液体窒素に浸漬してMs点以下に冷却した後1.5hr保持し、その後、液体窒素から取り出し、室温で放置して室温まで昇温した。
再結晶処理工程では、Yブロックを表1に記載の温度まで加熱し、3hr保持したあと、水冷した。
第2クライオ処理工程では、第1クライオ処理工程と同様の処理を施した。
逆変態処理工程では、Yブロックを表1に記載の温度まで加熱し、3hr保持したあと、水冷した。
得られた鋳物から2つのサンプルを採取して、400℃での引張試験(JIS G 0567準拠)を行い、オフセット法により0.2%耐力を測定し、2つの平均値を測定値とした。同様に、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、25~350℃の平均熱膨張係数、及びキュリー温度を測定した。キュリー温度は,測定時の伸び-温度のチャートから求めた屈曲点を用いた。
結果を表1に示す。
本発明の低熱膨張鋳物は、熱膨張係数が低く、さらに400℃で引張試験において、高い0.2%耐力を示した。
これに対して比較例では、400℃における0.2%耐力、熱膨張係数の少なくとも一方で目標の特性が得られなかった。
Claims (4)
- 成分組成が、質量%で、
C:0~0.100%、
Si:0~1.00%、
Mn:0~1.00%、
Nb:0.50~3.50%
Co:13.00~17.50%、及び
-3.5×%Ni+115≦%Co≦-3.5×%Ni+121を満たすNi(%Ni、%Coは、それぞれNi、Coの含有量(質量%))
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物であり、
400℃における引張試験の0.2%耐力が140MPa以上、
25~350℃における平均熱膨張係数が6.0ppm/℃以下、
キュリー温度が300℃以上
であることを特徴とする低熱膨張鋳物。 - 請求項1に記載の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温するクライオ処理工程、及び
鋳物を800~1200℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する再結晶処理工程
を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。 - 請求項1に記載の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温する第1クライオ処理工程、
鋳物を800~1200℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する再結晶処理工程、
鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温する第2クライオ処理工程、及び
鋳物を600~750℃に加熱し,0.5~5hr保持した後急冷する逆変態処理工程
を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。 - 請求項1に記載の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5~3hr保持し、室温まで昇温するクライオ処理工程、
鋳物を600~750℃に加熱し、0.5~5hr保持した後急冷する逆変態処理工程を順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。
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