JP2022095215A

JP2022095215A - 低熱膨張合金

Info

Publication number: JP2022095215A
Application number: JP2020208406A
Authority: JP
Inventors: 晴康大野; Haruyasu Ono; 浩太郎小奈; Kotaro Ona
Original assignee: Shinhokoku Material Corp
Current assignee: Shinhokoku Material Corp
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-06-28

Abstract

【課題】Ｃｏ量を少量とし、極低温から室温までの広い範囲で低い熱膨張係数を有し、さらに、低い０．２％耐力を有する低熱膨張合金を得る。【解決手段】本発明の低熱膨張合金は、質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．１５％以下、Ｎｉ：３４．０～３７．０％、Ｃｏ：０．２～１．０％、Ａｌ：０．１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、０．２％耐力が２００ＭＰａ以下である。【選択図】なし

Description

本発明は低熱膨張合金に関する。

エレクトロニクスや半導体関連機器、レーザー加工機、超精密加工機器の部品材料として、熱的に安定なインバー合金が広く使用されている。近年では、極低温で使用される航空、宇宙分野での部材においても、極低温から室温までの温度範囲で熱膨張係数の小さい材料が求められている。

特許文献１には、プレス成型性、耐共振性、耐座屈性を改善した、重量％でＣ０．１０％以下、Ｓｉ０．３０％以下、Ａｌ０．３０％以下、Ｍｎ０．１～１．０％、Ｎｉ３０～３４％、Ｃｒ１．０～４．０％、Ｃｏ２．０～５．０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、熱膨張係数が２．５×１０^-6／℃程度のシャドウマスクが開示されている。

特開昭６２－１１２７５９号公報

前述のような分野で、低熱膨張合金を、揺れを抑える制振部材に適用することが考えられる。制振部材には低い降伏点が求められる。これは、降伏点が低くなると合金が小さな力で変形するので、変形能力が大きくなり、破壊しにくくなり、揺れのエネルギーを吸収しやすくなるためである。

また、従来の広い温度範囲で小さな熱膨張係数を有する低熱膨張合金には、Ｎｉ及び数％のＣｏが含有されている。ここで、Ｃｏ、及びその無機化合物は特定化学物質に指定されており、Ｃｏを含有する鋼を製造する現場においては、その取り扱いに、特に注意を要する。

本発明は上記の事情に鑑み、Ｃｏの使用量を少なくし、従来のＦｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ合金等のＣｏを数％含有する合金と同等な熱膨張特性を有し、さらに、低い０．２％耐力を有する低熱膨張合金を提供することを課題とする。

本発明者らは、Ｃｏの使用量を減らし、かつ、Ｆｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ合金等と同等な熱膨張特性を有する低熱膨張合金を得る方法について鋭意検討した。その結果、合金の純度を高め、非金属介在物の少ない清浄度の高い合金とすることにより、低熱膨張特性が得られることが分かった。

また、得られた高純度の合金を熱間鍛造後、熱処理を施すことによって、結晶粒を粗大化させることにより、０．２％耐力を低下させることで、制振部材に適用可能な特性が得られることがわかった。

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）質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．１５％以下、Ｎｉ：３４．０～３７．０％、Ｃｏ：０．２～１．０％、Ａｌ：０．１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、０．２％耐力が２００ＭＰａ以下であることを特徴とする低熱膨張合金。

（２）結晶粒径が２００μｍ以上であることを特徴とする前記（１）の低熱膨張合金。

（３）－１００～５０℃の平均熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）の低熱膨張合金。

（４）前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．１０％以下、Ｍｏ：０．１０％以下、Ｗ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．１０％以下、及びＮｂ：０．１０％以下の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかの低熱膨張合金。

本発明によれば、Ｃｏの使用量を減らしつつ、Ｆｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ合金等と同等な熱膨張特性を有し、さらに、低い０．２％耐力を有する低熱膨張合金を得ることができる。

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、本発明の低熱膨張合金の成分組成について説明する。

本発明において、Ｎｉは、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。本発明においては熱膨張係数を、広い温度範囲で十分に小さくするために、Ｎｉ量を３４．０～３７．０％とする。

Ｃｏは、Ｎｉとともに添加することにより熱膨張係数の低下に寄与する元素である。本発明においては、前述の理由により、Ｃｏ量は少量とし、０．２～１．０％とする。

本発明の低熱膨張合金には、Ｎｉ、Ｃｏのほか、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを含有させてもよい。

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。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、経年寸法変化が大きくなるので、含有量は０．０１０％以下、好ましくは０．００５％以下、より好ましくは０．００３％以下とする。本発明の低熱膨張合金においては、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。Ｓｉ量が０．１００％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．１００％以下、好ましくは０．０５０％以下、より好ましくは０．０１０％以下とする。本発明の低熱膨張合金においては、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。Ｍｎの含有量が０．１５％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｍｎ量は０．１５％以下、好ましくは０．１０％以下、より好ましくは０．０５％以下とする。本発明の低熱膨張合金においては、Ｍｎは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ａｌは、脱酸の目的で添加してもよい。介在物の形成を抑え、鋳造欠陥を少なく、さらに低い熱膨張係数を得るために、含有量は０．１００％以下、好ましくは０．０５０％以下、より好ましくは０．０１０％以下とする。

成分組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。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い、具体的には、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎなどが挙げられる。

本発明の低熱膨張合金は、０．２％耐力が２００ＭＰａ以下である。耐力が大きすぎると、成形の際にスプリングバックが生じ、形状に狂いが生じ、また、局所的な歪みが残留する。さらに、揺れを抑える制振部材に適用するため、０．２％耐力は２００ＭＰａ以下とする。

本発明の低熱膨張合金は、好ましくは、結晶粒径が２００μｍ以上である。結晶粒径が大きくなることにより、０．２％耐力が低下する。

本発明の低熱膨張合金は、好ましくは、－１００～５０℃の平均熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下であり、より好ましくは、０．３×１０^-6／℃以下、さらに好ましくは、０．２×１０^-6／℃以下である。

本発明の低熱膨張合金は、上記のＦｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、及びＮｂの１種以上を含有させてもよい。ただし、熱膨張係数を増加させないため、それぞれ、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．１０％以下、Ｍｏ：０．１０％以下、Ｗ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．１０％以下、及びＮｂ：０．１０％以下の範囲とする。

Ｃｕは、強度を向上させる元素であり、０．３０％以下の範囲で含有させてもよい。

Ｃｒは合金に固溶し、ヤング率を高める効果があり、０．１０％以下の範囲で含有させてもよい。

Ｍｏ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高める効果があるが、０．１０％以下の範囲で含有させてもよい。

Ｔｉは凝固核を生成させる接種材としての効果がある。また、Ｔｉは、硬さ、引張強さを向上させる元素でもある。Ｔｉは０．１０％以下の範囲で含有させてもよい。

Ｗは、Ｍｏと同様に、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高める効果があるが、０．１０％以下の範囲で含有させてもよい。

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高める効果があるが、０．１０％以下の範囲で含有させてもよい。

次に、本発明の低熱膨張合金の製造方法について説明する。

本発明の低熱膨張合金の高純度化は、原材料を適切に選定し、真空溶解あるいはさらに再溶解を用いた製造方法により達成することができる。

本発明の低熱膨張合金の原材料としては、純度の高い、純鉄、電解ニッケル、金属コバルト、純アルミニウムを用いることが好ましい。

溶製方法には、ＶＩＭ（真空誘導溶解）、ＥＦ（電気炉溶解）－ＶＡＲ（真空アークリメルティング）、ＥＦ－ＥＳＲ（エレクトロスラグリメルティング）、ＶＩＭ－ＶＡＲ、又はＶＩＭ－ＥＳＲを用いる。これにより、不純物の少ない、高純度の低熱膨張合金を得ることができる。

インゴット溶製後、熱間鍛造を施し、その後、結晶粒粗大化熱処理を行う。

結晶粒粗大化熱処理とは、具体的には、熱間鍛造後の合金を９００~１２００℃に加熱し、２～５０ｈｒ保持し、その後、冷却する処理である。この処理により、結晶粒径を粗大化させ、０．２％耐力を低下させることができる。

得られた合金に対して、７００～１０５０℃に加熱して、１．５～５．０ｈｒ保持する溶体化処理を施す。この処理により、極低温から室温までの広い範囲で熱膨張係数を低い値にすることができる。好ましくは、－１００～５０℃の平均熱膨張係数が、０．５×１０^-6／℃以下、より好ましくは、０．３×１０^-6／℃以下、さらに好ましくは、０．２×１０^-6／℃以下となる。

以下、実施例を用いて、本発明の効果を説明する。なお、以下の例は本発明の効果を示すための一形態にすぎず、本発明は以下に示す例のみに限定されるものではない。

原材料としては、純鉄、電解鉄、又は比較例としてアームコ鉄、電解ニッケル、高純度アルミニウムを用い、ＶＩＭ－ＶＡＲ、又はＶＩＭ－ＥＳＲ、比較例として、ＥＦあるいはＶＩＭを用い、表１の化学成分を有する５０ｋｇインゴットを溶製した。化学成分の残部はＦｅである。

インゴット溶製後、熱間鍛造を施した。続いて、熱間鍛造後の合金に９００~１２００℃に加熱し、２～５０ｈｒ保持し、その後、冷却する、結晶粒粗大化熱処理を施した。

結晶粒粗大化熱処理の後、合金を７００～１０５０℃に加熱して、１．５～５．０ｈｒ保持する溶体化処理工程を施した。溶体加熱処理を施し、得られた合金について、－１００～５０℃の平均熱膨張係数を、熱膨張係数測定装置を用いて測定した。

また、０．２％耐力をＪＩＳＺ２２４１：２０１１に準拠して測定した。

結果を表２に示す。

本発明によれば、－１００～５０℃の広い範囲で低い平均熱膨張係数を有し、０．２％耐力の低い低熱膨張合金が得られることが確認できた。

また、化学成分が本発明の範囲内であっても、原材料や製造方法が適切でない場合、結晶粒径が大きくならず、所望の０．２％耐力が得られなかった。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０１０％以下、
Ｓｉ：０．１０％以下、
Ｍｎ：０．１５％以下、
Ｎｉ：３４．０～３７．０％、
Ｃｏ：０．２～１．０％、及び
Ａｌ：０．１０％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、
０．２％耐力が２００ＭＰａ以下
であることを特徴とする低熱膨張合金。
結晶粒径が２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の低熱膨張合金。
－１００～５０℃の平均熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低熱膨張合金。
前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｕ：０．３０％以下、
Ｃｒ：０．１０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以下、
Ｗ：０．１０％以下、
Ｔｉ：０．１０％以下、及び
Ｎｂ：０．１０％以下
の１種以上を含有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の低熱膨張合金。