JP3587949B2 - 高強度高膨張合金および素材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサーや温度補償部品として電気製品などに使用される高強度を有する高膨張合金および素材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車や電気製品などには、温度センサーや温度補償部品として、熱膨張係数の大きい合金がバイメタル用高膨張素材として使用されている。また、アパーチャーグリル方式の受像管には、フレームの熱膨張に起因する色ずれを防止する目的で高膨張合金が温度補償部品として使用されている。
【0003】
高膨張合金としては、一般的に、Fe−20〜22%NiにCrまたはMnを添加した22%Ni−3%Cr鋼,20%Ni−6%Mn鋼などのFe−Ni系合金が知られている。
【0004】
また、ステンレス鋼においてはフェライト系ステンレス鋼よりオーステナイト系ステンレス鋼の方が熱膨張係数が高いことから、SUS304(18%Cr−8%Ni鋼)などが高膨張合金として使用されることもある。
【0005】
高膨張合金用素材として要求される主特性は、30〜500℃での熱膨張係数と高強度である。例えば、カラーTVの温度補償部品に使用されている高膨張合金は30〜500℃での熱膨張係数は17.5×10−6/℃以上、硬さはHv180以上の特性を要求されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述のFe−Ni系合金や18%Cr−8%Ni鋼では高価なNiの含有量が多く素材コストが高いという問題を抱えている。このため、18%Cr−8%Ni鋼と同等の熱膨張特性と強度を有し、しかも18%Cr−8%Ni鋼より安価でかつ高強度を有する高膨張合金が強く要望されている。しかしながら、これまでに低コスト化と高強度化の検討は十分なされていなかったのが現状である。
そこで本発明は、上記ニーズに応えるべく、高強度と高膨張特性を兼ね備え、かつNi含有量を低減して低コスト化を図った安価で汎用性の高い高強度高膨張合金および素材を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項1〜3に記載した発明によって達成される。
【0008】
請求項1の発明は、重量%で、Cr:12〜18%、Ni:2〜6%、C:0.05〜0.5%、Si:2%以下(0%を含まず)、Mn:4%以下(0%を含まず)、N:0.01〜0.3%、Cu:0〜4%(無添加を含む)、Mo:0〜2%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(1)式で表されるAX値が0〜5.8となるように各元素を含有したバイメタル用高強度高膨張合金に関するものである。
AX=%Ni+0.68×%Cr+0.54×%Mn+0.45×%Si+0.81×%Cu+0.63×%Mo+27.28×(%C+%N)−20.37 −−−−−(1)
ここで、上記(1)式における%Ni,%Cr,%Mn,%Si,%Cu,%Mo,%Cおよび%Nは、それぞれNi,Cr,Mn,Si,Cu,Mo,CおよびNの合金中における含有量(重量%で表される値)を意味する。
【0009】
請求項2の発明は、請求項1の合金を熱間圧延して、硬さをHv290以上、30〜500℃の熱膨張係数を17.5×10−6/℃以上としたバイメタル用高強度高膨張素材に関するものである。この発明は、最終的に熱間圧延により素材の機械的・物理的特性を決定付けたものを対象とする。したがって、熱間圧延後に金属組織や機械的・物理的性質に実質的な影響を及ぼさない酸洗,研磨等の工程を実施したものも対象となる。また、熱間圧延より前の工程については問わない。
【0010】
請求項3の発明は、請求項1の合金のうち、特にAX値が1.6〜5.8の合金を焼鈍して、硬さをHv180以上、30〜500℃の熱膨張係数を17.5×10−6/℃以上としたバイメタル用高強度高膨張素材に関するものである。この発明は、最終的に焼鈍により素材の機械的・物理的特性を決定付けたものを対象とする。したがって、焼鈍後に金属組織や機械的・物理的性質に実質的な影響を及ぼさない酸洗,研磨等の工程を実施したものも対象となる。また、焼鈍より前の工程については問わない。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、Fe−Cr−Ni系合金において、C,Si,Mn,Nなどのステンレス鋼に含有される一般的な元素の含有量を種々変動させた素材について熱膨張特性および機械的性質を詳細に調べた結果、18%Cr−8%Ni鋼よりもNi含有量をかなり低減しても、前記(1)式に示すAX値を厳しく制限した化学組成とすることによって高膨張特性が得られることを見出した。また、Ni量を低減するとともにC量およびN量を増加することによって、熱延後あるいは焼鈍後に高強度が得られることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【0012】
以下に本発明を特定する事項について説明する。
Cr:Crは、本発明合金を構成する主要元素の1つである。Crの含有量が12重量%未満になると、他の元素を多量に添加してもAX値を0以上に維持することが困難となる。逆に18重量%を越えるとフェライト相が生成してオーステナイト単相組織を維持できなくなる恐れがあり、この場合には熱膨張係数が急激に低下するという事態を招く。したがって、Crの含有量は12〜18重量%の範囲に限定する。
【0013】
Ni:Niは、本発明合金を構成する主要な元素であり、オーステナイト単相組織を得るために必須となる。Niの含有量が2重量%未満になると、例えAX値が0〜5.8の範囲にあっても十分な高膨張特性を示さない場合が生じ得る。一方、Niの含有量が多くなるにしたがって素材コストが上昇し、約6重量%を越えてNiを含有させると安価な素材を提供することが困難となる。したがって、Niの含有量は2〜6重量%の範囲に限定する。
【0014】
C:Cは、低Ni化を図った本発明合金においては、素材の強度を上昇させる上で極めて重要な役割を果たす元素である。特に、焼鈍材においてHv180以上の硬度を安定して得るためにはC含有量を0.05重量%以上にする必要がある。ただし、CはAX値の変化に対する寄与が非常に高いので、過剰の添加は禁物である。C含有量が0.5重量%を越えると、AX値を5.8以下に調整することが困難になる場合がある。したがって、Cの含有量は0.05〜0.5重量%の範囲に限定する。なお、焼鈍材においてHv200以上の硬度を安定して得るためには0.1重量%以上、さらに、焼鈍材においてHv220以上の硬度を得るためには0.2重量%以上のC含有量とすることが望ましい。
【0015】
Si:Siは、溶製時における脱酸剤として有効に作用するとともに、AX値を高める役割を果たす元素である。しかし、2重量%を越えて含有させるとフェライト相が生成してオーステナイト単相組織を維持できなくなる恐れがあり、この場合には熱膨張係数が急激に低下するという事態を招く。したがって、Siは2重量%以下の範囲で含有させるよう限定する。なお、脱酸効果とAX値を高める効果は概ね0.05重量%以上のSi含有量で明らかに現れるが、これらの効果をより一層発揮させるためには、Siの含有量を0.4重量%以上とすることが望ましい。
Mn:Mnは、溶製時における脱酸剤として有効に作用し、しかも、比較的多量に含有しても高膨張素材として要求される特性を損なわないことから、本発明においてはAX値を高める上で重要な元素である。しかし、約4重量%を越えて含有させると溶製時の耐火物の劣化が著しくなるので、製造コストの上昇を招くようになる。したがって、Mnは4重量%以下の範囲で含有させるよう限定する。なお、脱酸効果とAX値を高める効果は概ね0.05重量%以上のMn含有量で明らかに現れるが、これらの効果をより一層発揮させるためには、Mnの含有量を0.5重量%以上とすることが望ましく、1.5重量%以上とすることがより好ましい。
【0016】
N:Nは、Cと同様に、本発明においては素材の強度を上昇させる上で重要な元素である。特に、焼鈍材においてHv180以上の硬度を安定して得るためにはN含有量を0.01重量%以上にする必要がある。ただし、NはAX値の変化に対する寄与が非常に高いので、過剰の添加は禁物である。N含有量が0.3重量%を越えると、AX値を5.8以下に調整することが困難になる場合がある。したがって、Nの含有量は0.01〜0.3重量%の範囲に限定する。
【0017】
Cu:Cuは、AX値を高める作用が大きい元素であるが、他の元素によりAX値を0以上に維持できる場合は特に添加しなくてもよい。Cu含有量が4重量%を越えると逆にAX値が高くなりすぎ、却って不都合を招く恐れがある。すなわち、AX値を5.8以下に調整するためにC,N等の他の必須添加元素の含有量を低減せざるを得ない場合が生じ得る。したがって、Cuを添加する場合はその含有量を4重量%以下に制限する。
【0018】
Mo:Moは、AX値を高める作用を有する元素であるが、他の元素によりAX値を0以上に維持できる場合は特に添加しなくてもよい。Mo含有量が2重量%を越えるとフェライト相が生成してオーステナイト単相組織を維持できなくなる恐れがある。また、Moは高価な元素であるため、Moの多量添加は低Ni化によるコスト低減効果を相殺し、安価な素材を提供するという本発明の趣旨を没却することにもなる。したがって、Moを添加する場合はその含有量を2重量%以下に制限する。
【0019】
AX値:AX値は、本発明の特徴である高膨張を得るために本発明者らが実験により求めた指標であり、後述の図1に示すように、熱膨張係数との間に非常に明確な関係がある。AX値が0未満では熱延ままおよび焼鈍後ともに熱膨張係数が17.5×10−6/℃未満となるため、高膨張係数を維持するためにはAX値を0以上とする必要がある。ただし、AX値が1.6未満になると、焼鈍状態において熱膨張係数が17.5×10−6/℃未満となる場合が多いので、焼鈍材を使用する場合にはAX値の下限を1.6に規制することが望ましい。一方、AX値が5.8を越えると熱膨張係数が17.5×10−6/℃より小さくなり、実用に供せないので、AX値は5.8以下に限定する。
【0020】
【実施例】
真空誘導溶解炉にて、表1に示す化学組成の合金(12kg)を溶製し、下記▲1▼の工程で熱延材(板材)を、下記▲2▼または▲3▼のいずれかの工程で焼鈍材(板材)を得た。
▲1▼鍛造(厚さ40mm)→熱延(厚さ3.0mm)。
▲2▼鍛造(厚さ40mm)→熱延(厚さ3.0mm)→焼鈍。
▲3▼鍛造(厚さ40mm)→熱延(厚さ3.0mm)→焼鈍→冷延(厚さ1.0mm)→焼鈍。
これらの板材から熱膨張係数測定用試料(厚さ3.0mm×幅5.0mm×長さ50.0mm)と硬さ測定用試料(厚さ3.0mm×幅30mm×長さ30mm)を作製した。熱延は、加熱抽出温度を1230℃、仕上げ温度を約950℃とした。上記▲2▼および▲3▼の工程における最終焼鈍は、1100℃×均熱1分、水冷とした。
【0021】
熱膨張係数は、示差式赤外線加熱大試料熱膨張計(理学電機)により30〜500℃の温度範囲で測定した。また、硬度はビッカース硬度計で測定した。表2および表3に、それぞれ熱延ままおよび焼鈍後における、本発明例,従来例,比較例の熱膨張係数と硬さの測定結果を示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
【表3】
【0025】
図1に、表1〜表3のデータを基に作成したAX値と熱膨張係数の関係を示す。
図1より次のことがわかる。すなわち、AX値が0未満では熱延まま,焼鈍後ともに熱膨張係数が一般的な実用上の要求値である17.5×10−6/℃未満となる。AX値が0〜2.0では熱延ままの熱膨張係数が17.5×10−6/℃以上であるが、焼鈍後の熱膨張係数は17.5×10−6/℃未満となる。AX値が2.0〜5.8では熱延まま,焼鈍後ともに熱膨張係数は17.5×10−6/℃以上である。しかしながら、AX値が5.8を越えると熱膨張係数は17.5×10−6/℃未満となり、実用に供せない。
このように、AX値と熱膨張係数の間には明瞭な相関関係があり、AX値によって熱膨張係数が精度良く制御できることがわかる。熱延ままの状態ではAX値が0〜5.8の間で、また焼鈍後の状態ではAX値が1.6〜5.8の間でそれぞれ安定して17.5×10−6/℃以上の高い熱膨張係数を得ることができる。しかし、AX値が0未満の合金および5.8を越える合金では、熱膨張係数を17.5×10−6/℃以上に維持する素材を得ることは困難である。
【0026】
図2に、AX値と硬さHvの関係を示す。
図2より、焼鈍後の硬さは、AX値が0未満では約Hv300と高く、AX値が0から2にかけては急激に低下するもののAX値が2以上では約Hv200で依然としてHv180以上の高強度を維持していることがわかる。一方、熱延ままの硬さはAX値に関わらず約Hv300と高い。
このように、本発明合金では、熱延ままの状態でHv290以上の高い硬さを安定して得られることがわかる。
【0027】
【発明の効果】
以上、明らかにしたように、前記(1)式で表されるAX値を用いて各元素の含有量を制御することによって、高膨張特性を維持しつつ高強度を有する安価な高強度高膨張合金および素材が得られることがわかった。つまり、本発明によれば、特殊な元素を添加しなくても、Ni,Cr,C,Si,Mn,Nといったいわばステンレス鋼の一般的な含有元素だけを利用して、Ni含有量を2〜6重量%にまで低減した安価な高膨張合金を提供することが可能となった。しかも、この合金の熱間圧延材あるいは焼鈍材は高い強度を有するので、高い信頼性をもって温度補償を目的とする種々の用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】AX値と素材の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図2】AX値と素材の硬さHvの関係を示すグラフである。
Claims (3)
- 重量%で、Cr:12〜18%、Ni:2〜6%、C:0.05〜0.5%、Si:2%以下(0%を含まず)、Mn:4%以下(0%を含まず)、N:0.01〜0.3%、Cu:0〜4%(無添加を含む)、Mo:0〜2%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(1)式で表されるAX値が0〜5.8となるように各元素を含有した高強度高膨張合金。
AX=%Ni+0.68×%Cr+0.54×%Mn+0.45×%Si+0.81×%Cu+0.63×%Mo+27.28×(%C+%N)−20.37 −−−−−(1) - 重量%で、Cr:12〜18%、Ni:2〜6%、C:0.05〜0.5%、Si:2%以下(0%を含まず)、Mn:4%以下(0%を含まず)、N:0.01〜0.3%、Cu:0〜4%(無添加を含む)、Mo:0〜2%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(1)式で表されるAX値が0〜5.8となるように各元素を含有した合金を熱間圧延して、硬さをHv290以上、30〜500℃の熱膨張係数を17.5×10−6/℃以上とした高強度高膨張素材。
AX=%Ni+0.68×%Cr+0.54×%Mn+0.45×%Si+0.81×%Cu+0.63×%Mo+27.28×(%C+%N)−20.37 −−−−−(1) - 重量%で、Cr:12〜18%、Ni:2〜6%、C:0.05〜0.5%、Si:2%以下(0%を含まず)、Mn:4%以下(0%を含まず)、N:0.01〜0.3%、Cu:0〜4%(無添加を含む)、Mo:0〜2%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(1)式で表されるAX値が1.6〜5.8となるように各元素を含有した合金を焼鈍して、硬さをHv180以上、30〜500℃の熱膨張係数を17.5×10−6/℃以上とした高強度高膨張素材。
AX=%Ni+0.68×%Cr+0.54×%Mn+0.45×%Si+0.81×%Cu+0.63×%Mo+27.28×(%C+%N)−20.37 −−−−−(1)
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