JP2741256B2 - 低熱膨張焼結合金及びその製造方法並びに圧縮装置 - Google Patents

低熱膨張焼結合金及びその製造方法並びに圧縮装置

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JP2741256B2 JP1217945A JP21794589A JP2741256B2 JP 2741256 B2 JP2741256 B2 JP 2741256B2 JP 1217945 A JP1217945 A JP 1217945A JP 21794589 A JP21794589 A JP 21794589A JP 2741256 B2 JP2741256 B2 JP 2741256B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低熱膨張焼結合金、特に強度および塑性加
工性に優れた低熱膨張焼結合金およびその製造方法、低
熱膨張部材の製造方法、圧縮装置に関する。
〔従来の技術〕
最近の工業技術の進歩に伴い、超精密加工の必要性が
増大し、それに伴い、精度維持上、加工機械の熱変形の
防止が重要な問題となり、種々の対策がとられるように
なった。低熱膨張材料の適用もその一つの手段である。
低熱膨張材料としては、Fe−Ni二元合金あるいはFe−
Ni−Co三元合金のインバーが知られているが、欠点とし
て機械加工性、鋳造性等が極めて悪いことがあげられ
る。このような問題点を解決するために、例えば特公昭
60−51547号公報、特開昭62−63648号公報に記載のよう
に、低熱膨張鋳鉄が提案されている。この低熱膨張鋳鉄
のミクロ組織を第10図に示す。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来の低熱膨張鋳鉄は、第10図に示すように、マ
トリックス中に黒鉛が晶出しているため良好な機械加工
性および鋳造性を有するが、その黒鉛の粒径が50〜60μ
mと大きいものであるため、強度が低く、高荷重のかか
る機械部品に適用できない、また鍛造などの塑性加工が
困難なため、製品の形状付与は鋳造あるいは機械加工に
よらざるを得ない、等の問題があった。
本発明の目的は、低熱膨張性を保持しつつ、強度およ
び塑性加工性に優れた低熱膨張焼結合金およびその製造
方法、低熱膨張部材の製造方法、圧縮装置を提供するこ
とにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明について述べる前に、本発明を完成するに至っ
た経緯について説明する。本発明者らは、強度および塑
性加工性を向上させるためにはマトリックス中の黒鉛を
微細にすることが有効であることに着目し、黒鉛の微細
化を図る方法として、鋳鉄溶湯を急冷凝固して黒鉛の生
成を抑制し、非平衡相としてセメンタイトを微細に生成
させた後、黒鉛化処理を行うことが有効であるとの考え
に至った。
その結果の一例について述べる。第5図及び第6図に
58%Fe−2.0%C−37%Ni−1%Si−1%Mnよりなる低
熱膨張焼結合金をガスアトマイズした粉末のミクロ組織
を示す。第5図はアトマイズまま、第6図は900℃×1h
の熱処理後のミクロ組織である。図から明らかなよう
に、急冷凝固によって合金中の炭素は微細なセメンタイ
トとして析出するが、それは不安定であるために、加熱
することによって簡単に微細な黒鉛に変態することがわ
かる。
急冷凝固による黒鉛の微細化は、水またはガスアトマ
イズ粉を金属基体表面に溶射後に、セメンタイトを黒鉛
化する熱処理を施すことによっても達成される。
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので
ある。すなわち、本発明に係る低熱膨張焼結合金は、重
量%でCは0.5%を越え2.4%以下、Siは1%以下、Mnは
1%以下、Ni又はNi+Coは32〜46%、残部はFeおよび不
可避的不純物からなり、マトリックス中に粒径10μm以
下で且つ面積率が2〜10%の範囲で黒鉛が分散した組織
を有するものである。本発明の低膨張焼結合金の20〜10
0℃における熱膨張係数は3.5×10-6/℃以下である。
本発明に係る低熱膨張焼結合金の製造方法は、重量%
でCは0.5%を越え2.4%以下、Siは1%以下、Mnは1%
以下、Ni又はNi+Coは32〜46%、残部はFeおよび不可避
的不純物からなる混合物を溶湯にする工程と、その溶湯
をアトマイズしてオーステナイト+セメンタイト組織か
らなる粉末にする工程と、その粉末を熱間静水圧加圧し
て前記セメンタイトの黒鉛化を図りマトリックス中に粒
径10μm以下で且つ面積率が2〜10%の範囲で黒鉛を分
散させる工程と、を含むものである。上記の低熱膨張焼
結合金に熱間塑性加工を施すことにより後述するスクリ
ューロータ等の各種製品を成形することができる。
次に本発明に係る低熱膨張部材の製造方法は、重量%
でCは0.5%を越え2.4%以下、Siは1%以下、Mnは1%
以下、Ni又はNi+Coは32〜46%、残部はFeおよび不可避
的不純物からなる混合物を溶湯にする工程と、その溶湯
をアトマイズしてオーステナイト+セメンタイト組織か
らなる粉末にする工程と、その粉末を金属基体表面に溶
射後、熱処理して前記セメンタイトの黒鉛化を図りマト
リックス中に粒径10μm以下で且つ面積率が2〜10%の
範囲で黒鉛を分散させる工程と、を含むものである。
本発明に係る圧縮機用のスクリューロータは、少なく
とも歯形部位が前記低熱膨張焼結合金で形成されている
ものである。
本発明に係る圧縮装置は、噛み合ったオス及びメス一
対のスクリューロータの回転によってガスを圧縮する圧
縮装置において、前記スクリューロータは少なくとも歯
形部位は前記低熱膨張焼結合金で形成されているもので
ある。
〔作用〕
本発明に係る合金は、粒径の小さい黒鉛が分散してい
ることによって、低熱膨張性を保持しつつ、強度及び塑
性加工性が向上する。
上記組成の限定理由について以下に説明する。
Cはマトリックス中に黒鉛を晶出させ、機械加工性を
付与させるために添加されるが、0.5%以下では機械加
工性を劣化させ、2.4%以上では黒鉛量が多くなり熱膨
張係数を増加させるため好ましくない。Siは脱酸剤とし
て添加されるが、1%以上含有すると、熱膨張係数を増
加させる。Mnは脱酸剤および機械的性質を向上させるた
めに添加されるが、1%以上では熱膨張係数を増加させ
ると共に機械加工性を悪化させるために好ましくない。
NiはFe中へのCの溶解度を減じて黒鉛化を助長する元素
であるが、所望する熱膨張係数を得るためには、Ni量を
32〜46%に限定することが好ましい。一方、Coは熱膨張
係数に対してNiと等価の効果を有するため、本発明はCo
が含有される場合にはNi+Co量で32〜46%と規定され
る。
本発明の低熱膨張焼結合金において、強度および熱間
塑性加工性の向上は、上記組成のマトリックス中に10μ
m以下の黒鉛を分散させることによって達成される。又
は粒径10μm以下で且つ面積率が2〜10%の範囲で黒鉛
を分散させることによって達成される。ここで、面積率
とは任意の単位面積当りに占める黒鉛粒子の総面積をい
う。
本発明の製造方法では、低熱膨張焼結合金急冷粉末中
のセメンタイトの黒鉛化は、熱間静水圧加圧成形時ある
いは溶射後の熱処理によって行われるが、熱間静水圧加
圧温度は、低熱膨張焼結合金の成分に応じて900〜1200
℃の範囲で選択される。
一方、従来の低熱膨張鋳鉄では全体の冷却速度が遅い
ことによって50〜60μmの大きな黒鉛が晶出するため
に、鍛造などの塑性加工が困難であったが、本発明の低
熱膨張焼結合金は黒鉛が10μm以下であるために、塑性
加工してもクラックが発生しない。低熱膨張焼結合金の
成分にもよるが、鍛造比5以上で黒鉛は強度に影響を及
ぼさなくなり、炭素を含有せず、他の主要成分が同量の
ものと同等の強度を示すようになる。
次に、本発明の低熱膨張焼結合金を構成するマトリッ
クス中の黒鉛の面積率とサイズの規定理由について説明
する。
黒鉛は機械加工性を確保するために必要であるが、面
積率で10%以上では、低熱膨張性および強度を損なうの
で好ましくない。2%以下では黒鉛の潤滑効果がなくな
り、機械加工性を劣化するので、好ましくない。よって
黒鉛の面積率は2〜10%と規定する。
一方、黒鉛サイズは強度および塑性加工性に強く作用
し、微細であることが良い。サイズが10μm以上ではそ
の効果が小さくなる。よって黒鉛のサイズは10μm以
下、望ましくは5μm以下と規定する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例1 55.6%Fe−2.4%C−39%Ni−1%Si−1%Mnよりな
る低熱膨張焼結合金のガスアトマイズ粉末を直径100m
m、長さ500mmの軟鋼パイプ中に充填後、1000kgf/cm2、1
130℃×1hの条件で熱間静水圧加圧成形した。
第1図及び第2図にミクロ組織を示す。第1図は本発
明材、第2図は比較材のミクロ組織を示す。比較材は、
本発明材と同組成で、従来の砂型鋳造材で作られたもの
である。本発明の組織は、マトリックス中に0.3〜4μ
mの黒鉛が均一分散したオーステナイト組織を有し、比
較材に比べて黒鉛が著しく微細化されていることがわか
る。
第1表に引張試験結果を示すが、本発明材は比較材に
比べて強度、特に耐力が大幅に向上していることがわか
る。また、黒鉛が存在しているために、機械加工性は同
等であった。
その後、本発明材および比較材を1100℃の温度で鍛造
した。第3図及び第4図に鍛造後のミクロ組織を示す。
第3図は比較材、第4図は本発明材のミクロ組織を示
す。比較材では、黒鉛を起点としてクラックが発生して
いるのに対し、本発明材はクラックが認められず、塑性
加工性に優れていることがわかる。なお、本発明材の20
〜100℃における熱膨張係数は比較材と同等で、約35×1
0-6/℃であった。
実施例2 56.8%Fe−1.2%C−34%Ni−5%Co1%Si−1%Mnよ
りなる低熱膨張焼結合金のガスアトマイズ粉末を実施例
1と同じ条件で熱間静水圧加圧成形した。実施例1と同
様な組織および引張試験結果が得られた。
実施例3 64%Fe−36%Niよりなる直径50mm、長さ500mmの金属
芯材外周に実施例1と同じ粉末を30mm厚さまで溶射後、
1100℃の温度で鍛造した。溶射は50〜80Torrの減圧下、
Ar/H2ガス雰囲気中で行い、電流および電圧はそれぞれ7
00A,65Vとした。外層部を本発明材とすることによっ
て、低熱膨張性を保持しつつFe−Ni合金の欠点である難
加工性を大幅に改善することができた。
実施例4 64%Fe−36%Niよりなる金属芯材外周に61.9%Fe−1.
2%C−36%Ni−0.6%Si−0.3%Mnよりなる低熱膨張焼
結合金のガスアトマイズ粉末を実施例1と同じ条件で熱
間静水圧加圧成形し、1100℃で鍛造後に第7図及び第8
図に示すメス・オススクリューロータ1,2を製作した。
7,8は軸を示す。ロータの寸法はメスロータ外径53mm、
オスロータ63mm、長さ87.5mmである。また、このロータ
と同寸法の従来の構造用炭素鋼よりなるメス・オススク
リューロータを製作した。
上記2種類の材質のロータを第9図に示す圧縮装置に
組み込んで圧縮効率の比較を行った。3はカーボンリン
グ、4は軸受、5はケーシング、6はカバーを示す。吐
出圧力7kg/cm2、吸込流量1000cm3/hとして圧縮効率を比
較した。
本発明の材質からなるロータは、従来ロータに比べて
熱膨張係数が約2分の1であるために、室温の組み立て
時にロータ間のギャップを2分の1にすることができ
た。その結果、従来の圧縮装置では圧縮効率が65%であ
ったが、本発明の圧縮装置は68%となり、圧縮効率を大
幅に向上させることができた。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、粒径の小さい黒
鉛を分散させたことにより、低熱膨張性および機械加工
性を損なうことなく、強度の向上を図ることができるの
で、熱変形を嫌い、高荷重のかかる精密機械部品、工作
機械等に広範囲に適用することができる。さらに、塑性
加工が可能なので、製品形状付与の自由度が大幅に向上
する。
又、本発明に係る製造方法によれば、上記低熱膨張焼
結合金を簡単に作ることができる。
又、本発明に係る圧縮装置によれば圧縮効率を大幅に
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る実施例1の焼結合金の金属組織を
示す写真、第2図は従来の砂型鋳造材の金属組織を示す
写真、第3図は従来の砂型鋳造材鍛造後の金属組織を示
す写真、第4図は本発明の実施例1の焼結合金の鍛造後
の金属組織を示す写真、第5図は本発明材のガスアトマ
イズ粉末の金属組織を示す写真、第6図はその熱処理後
の金属組織を示す写真、第7図及び第8図は本発明のス
クリューロータの構造を示す平面図および縦断面図、第
9図はロータを圧縮機ケーシングに組み込んだ圧縮装置
の要部断面図、第10図は従来の低熱膨張鋳鉄の金属組織
を示す写真である。 1……オスロータ、2……メスロータ、3……カーボン
リング等、4……軸受、5……ケーシング、6……カバ
ー、7,8……軸。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、C0.5%を越え2.4%以下、Si1%
    以下、Mn1%以下、Ni又はNi+Co32〜46%、残部Feを有
    するオーステナイト鋼からなり、マトリックス中に粒径
    10μm以下で且つ面積率が2〜10%の範囲で黒鉛が分散
    した組織を有する低熱膨張焼結合金。
  2. 【請求項2】重量%で、C0.5%を越え2.4%以下、Si1%
    以下、Mn1%以下、Ni又はNi+Co32〜46%、残部Feを有
    する溶湯をアトマイズしてオーステナイト+セメンタイ
    ト組織からなるオーステナイト鋼粉末にする工程と、そ
    の粉末を熱間静水圧加圧して前記セメンタイトの黒鉛化
    を図りマトリックス中に粒径10μm以下で且つ面積率が
    2〜10%の範囲で黒鉛を分散させる工程と、を含む低熱
    膨張焼結合金の製造方法。
  3. 【請求項3】重量%で、C0.5%を越え2.4%以下、Si1%
    以下、Mn1%以下、Ni又はNi+Co32〜46%、残部Feを有
    する溶湯をアトマイズしてオーステナイト+セメンタイ
    ト組織からなるオーステナイト鋼粉末にする工程と、そ
    の粉末を金属基体表面に溶射後、熱処理して前記セメン
    タイトの黒鉛化を図りマトリックス中に粒径10μm以下
    で且つ面積率が2〜10%の範囲で黒鉛を分散させる工程
    と、を含む低熱膨張部材の製造方法。
  4. 【請求項4】圧縮機用のスクリューロータの少なくとも
    歯形部位は請求項1記載の低熱膨張焼結合金で形成され
    ている圧縮機用スクリューロータ。
  5. 【請求項5】噛み合ったオス及びメス一対のスクリュー
    ロータの回転によってガスを圧縮する圧縮装置におい
    て、前記スクリューロータは少なくとも歯形部位は請求
    項1記載の低熱膨張焼結合金で形成されていることを特
    徴とする圧縮装置。
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JPS5396906A (en) * 1977-02-04 1978-08-24 Tohoku Metal Ind Ltd Production of sintered alloy having low thermal expansion and rotary cutting property
JPS60142081A (ja) * 1983-12-29 1985-07-27 Hitachi Ltd 圧縮機
JPH0211737A (ja) * 1988-06-28 1990-01-16 Ngk Spark Plug Co Ltd 摺動部材用Fe−Ni基多孔質焼結体

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