JP2501157B2

JP2501157B2 - 熱間加工性に優れる高強度低熱膨張Ｆｅ−Ｎｉ系合金

Info

Publication number: JP2501157B2
Application number: JP34291091A
Authority: JP
Inventors: 昆王; 正臣津田; 竹弥峠
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 1991-12-25
Filing date: 1991-12-25
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH05171357A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度低熱膨張Fe−Ni
系合金に関し、とくに鍛造割れや熱間圧延時に発生する
耳割れ現象を実際操業において問題にならない程度に低
減でき、しかも低熱膨張の高強度低熱膨張合金に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩや超ＬＳＩ（超大規模集積
回路）等は、シリコン素子の大型化、多ピン化、薄型化
によって、通電時の発熱量, 使用温度の上昇を招いてい
る。これらに対応するために最近、450 ℃を超えるよう
な温度域まで高精度を維持できる、いわゆるSiチップと
熱膨張差の小さい材料が望まれるようになってきた。こ
の種材料としては、さらに、リードフレームの多ピン
化、薄肉化に対処するため、高強度であることも必須の
条件である。

【０００３】これら多ピン用Fe系リードフレーム材料と
して、従来、シリコンチップとほぼ等しい熱膨張係数を
もつ「42アロイ」と通称される、Ni：38〜45wt％、Ｃ：
0.1wt％以下、Si：0.01〜1 wt％、Mn：0.01〜1 wt％、A
l：0.1 wt％以下、Ｓ：0.01wt％以下を含むFe−Ni系合
金、Ni：23〜30wt％、Co：３〜17wt％、Mn：0.6 〜0.8
wt％を含む「コーバル」と通称されている低熱膨張のFe
−Ni−Co系合金, あるいは銅合金、銅−ステンレスクラ
ッド材料などが使用されている。

【０００４】上記材料のうち、Fe−Ni系合金について
は、特開平３−197646号公報に開示されているような種
々の強化元素を添加した高強度Fe−Ni系合金などが知ら
れており、また、Fe−Ni−Co系合金については、特開平
３−166340号公報や特開平３−197644号公報に開示され
ているようなものなどが知られている。とくに、Fe−Ni
−Co系合金は、Siチップとの熱膨張係数の差が少ないの
で有用であるが、Coの値段が高く、従来の「42アロイ」
よりも数倍高くなるという問題があった。

【０００５】その他、Fe−Ni系合金にCuを添加した合金
も知られているが、この合金は、Cuの多量添加によるコ
ストアップ、また、Cu, Nb添加による熱膨張係数の増大
に伴うSiチップとの熱膨張係数の不一致を招いて、リー
ドフレーム用としての適用が阻害される。しかも、Cuや
Nbの添加は熱間加工性の低下をも引き起こし、製造歩留
りを低下させるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のFe−
Ni系合金をリードフレームなどの用途に用いるには、薄
板あるいは箔の状態にしなければならず、そのために
は、インゴットを鍛造、圧延するか、スラブを熱間圧
延, 冷間圧延をしなければならない。しかしながら、こ
のFe−Ni系合金の鍛造あるいは熱間圧延は、割れを発生
しやすく、この割れが存在すると、後工程において、疵
取りやスリッターが不可欠となる。このことは、製造歩
留りを著しく低下させる原因となっていた。

【０００７】従来、かような鍛造割れや圧延時の耳割れ
現象を防止するためには、合金の熱間加工性を向上させ
る必要があり、そのためにTi、Mg等の元素を添加すると
いう方法が一般に行われている。しかし、Mn、Ti、Mg等
の過度の添加は、熱間加工性は改善されるが、逆に上記
熱膨張係数を増大させる結果となる。また、熱間加工性
を改善するには、他にＢを添加する方法もある。しかし
ながら、Fe−Ni系合金にもしNbを含む場合には、このＢ
を不適正に添加するとNbのほう化合物を析出し、却って
熱間加工性を劣化させるという問題も併発した。もちろ
ん、このNbとＢとを複合添加するFe−Ni系合金の改良も
特開昭63−14841 号公報、特開昭63−35755 号公報、特
開平３−197646号公報などで提案されているが、NbとＢ
との好適な割合についての研究は行われていないのが実
情である。

【０００８】この発明の目的は、上述した従来合金の抱
える問題点を克服し、鍛造割れや熱間圧延時の耳割れ現
象を実際上ほとんど問題にならない程度に低減でき、し
かも、30〜450 ℃の温度範囲における平均熱膨張係数が
10×10^-6／℃以下と低く、かつ硬さが250Hv 以上である
Fe−Ni系合金を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに鋭意研究した結果、本発明は、Ｃ：0.003 〜0.02wt
％、 Si：0.01〜2.0 wt％、Ｎ：0.01wt％以下、M
n：0.01〜3.0 wt％、 Ni：30〜50wt％、 C
r：0.01〜1.0 wt％、Nb：1.0 〜3.0 wt％、Ｂ：0.000
5〜0.010 wt％、およびＳ：0.01wt％以下を含有し、か
つＢはNbとの関係において、Ｂ＜15×10^-3 (１−0.32N
b) の関係を満足して含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物からなる組成の合金、を提案する。また、本発明
は、上記組成の合金にたいして、さらにZr：0.001 〜0.
4 ％、Co≦4.0 wt％、Cu≦4.0 wt％、Ti≦1.0 wt％、Al
≦1.0 wt％のうちから選ばれるいずれか１種または２種
以上を総量で 0.1〜3.0 wt％含有させてなるFe−Ni系合
金を提案する。

【００１０】

【作用】以下に、本発明合金の組成を上記のように限定
した理由を説明する。Ｃ：0.003 〜0.02wt％；Ｃは、固溶強化および加工硬化
による材質強化に寄与する元素である。とくに本発明合
金において、250Hv 以上の硬さを確保するには、0.003
wt％を超える添加を必要とする。一方、このＣ含有量が
多すぎると、電気抵抗の増大を招いて導電性を悪くする
とともに、炭化物が多く析出して熱間加工性、靭性およ
び打抜き性を劣化させ、さらに、Fe−Ni系合金本来の低
熱膨張特性をも損なうことになる。そのためＣは、0.00
3 〜0.02wt％に限定する。

【００１１】Si：0.01〜2.0 wt％；Siは、精錬に際して
の脱酸剤として0.01wt％以上の添加が必要である。ただ
し、2.0 wt％を超えると熱間加工性が劣化するので、0.
01〜2.0 wt％に限定する。 Mn：0.01〜3.0 wt％；Mnは、固溶強化に有効な元素であ
り、また、精錬に際しては脱酸剤として用いられる。そ
のために0.01wt％以上の添加が必要である。しかし、3.
0 wt％を超えて添加しても脱酸作用が無くなることに加
え、熱間加工性も劣化させる傾向がある上、コスト的に
も不利であるから、0.01〜3.0 wt％に限定する。なお、
上記のSi, Mnは、いずれも熱膨張特性をあまり損なうこ
となく、固溶強化でき、さらに冷間加工を施した時の加
工硬化も大きく、材質強化に貢献する共通の作用効果を
もつ元素である。従って、250Hv 以上の高強度を確保す
るためには、これらの元素の合計量が少なくとも 0.5wt
％を超えるように添加する必要がある。しかし、この合
計量が多すぎると、30〜450 ℃の熱膨張係数が高くな
り、10×10^-6／℃以下の条件を維持することが困難にな
る。

【００１２】Cr：0.01〜1.0 wt％；Crは、加工性を向上
させる元素である。しかし、 1.0wt％以上添加すると
0.2％耐力の低下が著しくなるとともに、熱膨張係数の
増大を招くので、上限として1.0 wt％を添加する。添加
の効果を得るには少なくとも0.01wt％の添加が必要であ
る。

【００１３】Ni：30〜50wt％；Niは、30wt％未満だと焼
鈍状態でもマルテンサイトが形成され、磁気特性、熱膨
張、強度、その他の物理的特性が損なわれるので、30wt
％以上の添加が必要である。しかし、このNiは、50wt％
を超えて含有させると、飽和磁束密度や電気抵抗が減少
し、熱膨張を増大させる他、角型ヒステリシスが崩れる
ので好ましくなく、その上、コスト的にも不利になるの
で、上限は50wt％とする。また、このNi含有量により
熱膨張係数が変化し、例えば、30〜450 ℃の熱膨張係数
を10×10 ^-6／℃以下にするためには、Niを( Ni＋Co) ま
たは( Ni＋Co＋Cu) が少なくとも35〜45wt％となるよう
な量にする必要がある。もし、これより多く含有させる
と、熱膨張係数は一旦低下した後、上昇に転じ、また、
この含有量が50.0wt％以上になると、このレベルを維持
することが困難となる。従って、このNiをCoやCuととも
に含有させるときには、それらの合計量を35〜50wt％と
する。

【００１４】Nb：1.0 〜3.0 wt％；Nbは、本発明合金に
おいて最も特徴的な元素であり、高強度、低熱膨張を確
保するために、1.0 wt％以上添加することが必要であ
る。しかし、3.0 wt％を超えて含有させると、靭性や溶
接性を低下させ、偏析が大きくなり、コストの上昇を招
くので、1.0 〜3.0 wt％に限定する。なお、このNbは、
Fe−Ni系合金本来の熱膨張特性をあまり損なうことな
く、固溶強化でき、さらに冷間加工を施した時の加工硬
化も大きく、材質強化に貢献する元素である。とくにNb
単独またはNbとZrを複合添加すると、合金の熱膨張係数
の増大を抑える作用がある。しかも、これらの元素Nb,
Zrは、本発明のFe−Ni系合金の磁性変態点に及ぼす影響
が少なく、熱膨張変曲点を高温に維持する作用がある。
また、このNbは、単独もしくはZrとNb複合の添加によ
り、結晶粒度を著しく微細化し、靭性および打抜き性を
確保するのに有効であり、さらに焼鈍状態で固溶強化に
より硬さを25％以上も増大させ、圧延による加工硬化に
よって強度を一層大きくする作用がある。

【００１５】Ｂ：0.0005〜0.010 wt％；Ｂは、Ｓの粒界
偏析を防止し、熱間加工性向上のために有効な元素であ
る。その量が0.0005wt％未満では上記の効果が少なく、
また、0.010 wt％を超えると、多量の硬く脆いほう化
物、特にNbのほう化物を生成し、熱間加工性および材料
の靭性を劣化するので、0.0005〜0.010 wt％に限定す
る。なお、Nbを複合添加する場合のＢの固溶限は小さ
く、その固溶限を超えた場合にNbほう化物を析出するの
であり、多量のNbほう化物を析出すると、熱間加工性が
著しく劣化する。

【００１６】本発明合金において、優れた熱間加工性を
付与するためには、このＢの添加量はNbの含有量によっ
て適正な範囲としなければならない。すなわち、Nb, Ｂ
の添加濃度と熱間加工性の関係を示す図１から判るよう
に、次式；Ｂ＜15×10^-3 (１−0.32Nb) を満足するものでなければならない。このことは、Nbの
添加量が多くなればＢの最大添加量を減らさなければな
らないことを意味している。従って、もし上式を満足し
ないＢの含有量になると、多量のほう化物を形成するだ
けでなく、ほう化物との低融点共晶相も析出するので、
熱間加工性が著しく減少することを意味している。

【００１７】Ｎ：0.01wt％以下；Ｎは、NbとＢを含有す
る合金においては、このNb、Ｂと容易に結合して窒化物
を析出する。従って、このＮが多すぎると、有効なNb、
Ｂ量の低下を招く。しかも、析出した窒化物を合金中に
多く含有する場合には悪影響を及ぼすので、Ｎは、0.01
wt％を上限とする。好ましくは、0.005 wt％以下がよ
い。

【００１８】Ｓ：0.01wt％以下；Ｓは、0.01wt％を超え
ると粒界に偏析して熱間加工性を損なうので、上限を0.
01wt％とした。より好ましくは、0.003 wt％以下がよ
い。

【００１９】Zr：0.001 〜0.4 wt％、Co≦4.0 wt％、Cu
≦4.0 wt％、Ti≦1.0 wt％、Al≦1.0wt％のうち少なく
とも１種または２種以上を総量で 0.1〜3.0 wt％；これ
らの元素は、いずれも単独でもまた複合して添加して
も、固溶強化作用と時効効果によって合金の強度を向上
させる。しかしながら、同時に 450℃付近でのヒートサ
イクルにおける熱膨張係数を低位に安定させる上で有効
である。ただし、多すぎると熱膨張係数が高くなりす
ぎ、30〜450 ℃において10×10^-6／℃以下という条件を
満たすことが困難となる他、靭性の劣化を招く。

【００２０】CuまたはCu＋Co： 0.1〜8.0 wt％；いに、
合金内には、加工工程の途中で、歪取り、焼鈍、めっき
等の表面処理が施されるものも少なくない。こうした熱
履歴によって、強加工による熱膨張係数の低減効果が失
われ易いことがある。これに対しては、上記添加成分の
うち、とくにCuまたはCuおよびCoの導入が効果的であ
る。これらの元素は、Fe−Ni系合金の磁気変態点を高温
側に移動させ、熱膨張係数曲線を低Ni側に移動させる効
果がある。この効果は、これらの元素の１つまたは複合
量で 0.1wt％以上の添加により明確になる。しかし、多
すぎると、かえって熱膨張係数を上昇させるため、8.0
wt％以下に止める。

【００２１】なお、本発明合金の製造に当たっては、加
工時、とくに冷間加工のときに減面率50％以上の加工を
施すことが重要である。このような強加工を施すことに
よって、硬さが向上する一方で、熱膨張率を低くするこ
とができる。また、上記冷間加工後の熱処理に当たって
は、 600〜900 ℃の歪取り焼鈍を施すと、低熱膨張特性
を損なうことなく硬さ (強さ) 、靭性を効果的に向上さ
せることができる。この歪取り焼鈍は、上記の減面率50
％以上の冷間加工に続いて行うことが重要である。

【００２２】

【実施例】表１の組成になる合金を大気誘導炉で溶解し
てインゴットを作成し、次いでこのインゴットを 950〜
1400℃に加熱して熱間鍛造加工を施し、その後、800 〜
1150℃に加熱してから徐冷する焼鈍処理と減面率75％以
下で行う冷間圧延とを繰り返しながら、最終冷間圧延加
工を減面率80％以下で行なって圧延加工を終了した。次
いで、675 ℃で３分間加熱する歪取り焼鈍を行って厚さ
0.15mmの板状体を得た。この板状体について、熱膨張係
数、硬度および熱間加工性を測定した。その結果を表１
に示す。熱膨張係数については、常温から 500℃までの
範囲で測定し、30〜450 ℃の平均熱膨張係数を求めた。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明のFe−Ni系合
金は、NbとＢの添加濃度の調整により、熱間加工性が優
れることを保つと共に、冷間の強加工を組合わせること
によって、250Hv 以上の高強度を付与し、かつ30〜450
℃において10×10^-6／℃以下の低熱膨張係数を実現した
ものである。従って、本発明の合金は、リードフレーム
用高強度低熱膨張材に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】Nb、Ｂの添加濃度と熱間加工性の関係を示すグ
ラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者峠竹弥神奈川県川崎市川崎区小島町４番２号日本冶金工業株式会社研究開発本部技術研究所内 (56)参考文献特開平４−176844（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−35755（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−14841（ＪＰ，Ａ) 特開平３−197646（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−264161（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.003 〜0.02wt％、 Si：0.01〜2.
0 wt％、Ｎ：0.01wt％以下、 Mn：0.01〜3.0 wt％、 Ni：30〜50wt％、 Cr：0.01〜1.0 wt％、 Nb：1.0 〜3.0 wt％、Ｂ：0.0005〜0.010 wt％、およびＳ：0.01wt％以下を含有し、かつ、ＢはNbとの関
係において、Ｂ＜15×10^-3 (１−0.32Nb)の関係を満
足して含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる
高強度低熱膨張Fe−Ni系合金。
【請求項２】Ｃ：0.003 〜0.02wt％、 Si：0.01〜2.
0 wt％、Ｎ：0.01wt％以下、 Mn：0.01〜3.0 wt％、 Ni：30〜50wt％、 Cr：0.01〜1.0 wt％、 Nb：1.0 〜3.0 wt％、Ｂ：0.0005〜0.010 wt％、およびＳ：0.01wt％以下を含有し、かつ、ＢはNbとの関
係において、Ｂ＜15×10^-3 (１−0.32Nb)の関係を満
足して含有し、さらに、Zr：0.001 〜0.4 wt％、Co≦4.
0 wt％、Cu≦4.0 wt％、Ti≦1.0 wt％、Al≦1.0 wt％の
うちから選ばれるいずれか１種または２種以上を、総量
で0.1 〜3.0 wt％含有し、残部がFeおよび不可避的不純
物からなる高強度低熱膨張Fe−Ni系合金。