JP4543171B2

JP4543171B2 - 高抵抗器用鉄合金

Info

Publication number: JP4543171B2
Application number: JP2005034662A
Authority: JP
Inventors: 清仁石田; 亮介貝沼; 祐司須藤; 玲子海野
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006219728A

Description

本発明は、優れた加工性を有し、高い比抵抗(μΩ・ｃｍ)と小さい抵抗値温度係数(ｐｐｍ／℃)とを兼ね備えた、抵抗器として用いるのに好適な鉄合金に関するものである。

現在では高抵抗器用のエレメントの線材として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｎｉ−Ｃｒ合金などが使用されている。特に高抵抗器線材には、（１）温度による影響が小さいこと（熱による抵抗値変化が小さい→低温度係数）、（２）比抵抗が大きいこと、（３）抵抗値の経時変化が小さいこと、（４）加工性に富むこと、（５）半田付けやスポット溶接性がよいこと、（６）耐腐食性、（７）対熱応力断線性などの性能が要求される。最近では、抵抗器の信頼性の向上、巻き線作業性の向上のためにさらなる比抵抗値の増加が求められている。

近年、計測器、精密電源、電気自動車などの高性能化・発展に伴い、精密抵抗材料、特に高い比抵抗値・優れた温度特性を有する抵抗材料の開発が望まれている。従来、精密抵抗材料としてＣｕ−Ｍｎ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金などが使用されている。Ｃｕ−Ｍｎ合金やＮｉ−Ｃｕ合金は温度特性に優れているものの、比抵抗値が小さく高抵抗器用材料としての使用は不可とされている。一方、Ｎｉ−Ｃｒ系合金は、比抵抗値が高いため高抵抗材料へ適用されているが、比抵抗値の大きさが未だ不十分であり、例えば、計測器、電気自動車などに使用される巻線型抵抗器に使用する場合、抵抗を大きくするために線径を非常に細くしなければならず(φ０．０２ｍｍ程度)、巻き作業中に断線してしまうという問題があった。

本発明に関連する高い比抵抗(μΩ・ｃｍ)と小さい抵抗値温度係数(ｐｐｍ／℃)とを兼ね備えた、抵抗器として用いるのに好適な鉄合金に関する合金としては、１０〜２６重量％クロム、３．５〜１５重量％銅および２．５〜１０％アルミニウムの合計２５〜４０％、０．０１〜２０重量％コバルト、０．０１〜５重量％マンガン、０．０１〜５重量％タングステン、０．０１〜５重量％チタンおよび０．０１〜５重量％シリコンの内から選ばれた１種あるいは２種以上の合計０．０１〜２０重量％および残部ニッケルからなる精密抵抗合金がある。（例えば特許文献１参照）しかしながら、特許文献１に記載の合金は、４０重量％以上のニッケルからなる合金であり、複雑な加工工程を得て成形される。また、比抵抗値も１５０μΩ・ｃｍ以下であり、未だ十分とは言えない。
特許２９２２９８９

本発明は、加工性に優れ、高い比抵抗値および低い抵抗値温度係数を兼ね備え、耐熱性、耐食性にも優れた材料を提供することを課題とする。

本発明によれば、Ｍｎ：１０．０〜４５．０重量％、Ａｌ：５．０〜１５．０重量％、Ｃ：０．０１〜２．０重量％、Ｃｒ：０．０１〜１５．０重量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする高抵抗器用鉄合金が得られる。

また本発明によれば、１５０（μΩ・ｃｍ）以上の比抵抗値を有する高抵抗器用鉄合金が得られる。

また本発明によれば、抵抗値の温度係数が±２００ｐｐｍ／℃の範囲内である高抵抗器用鉄合金が得られる。

また本発明によれば、時効熱処理により抵抗値の温度係数を低く制御した高抵抗器用鉄合金が得られる。

また本発明によれば、添加元素として、さらにＢ：０．００１〜１．５重量％、Ｎ：０．００１〜１．５重量％、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷ：それぞれ０．０１〜５．０重量％、からなる群から選択した１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする高抵抗器用鉄合金が得られる。

組成範囲について、Ｍｎ：１０．０〜４５．０重量％とする理由は、５．０重量％未満では、高い比抵抗値を実現できず、４５．０重量％以上であると、耐食性が劣化するからである。特にＭｎ：１５．０〜４０．０重量％が望ましい。これにより高い比抵抗値および耐食性に富む材料を実現することができる。

Ａｌについては、５．０〜１５．０重量％とする利用は、５．０重量％未満では高抵抗値が得られず、１５．０重量％を超えると、十分な加工性が得られないからである。特に、Ａｌ:７．０〜１４．０重量％が望ましい。これにより高い比抵抗値と十分な加工性を得ることができる。また、Ｃについては、０．０１〜２．０重量％とする理由は、０．０１重量％以下では、小さい抵抗値温度係数を得ることができず、２．０重量％を超えると多量のＦｅ_３ＣやＭｎ_３Ｃなどの炭化物の析出により脆くなり、また耐熱性が劣化するからである。更に、Ｃｒについては、０．０１〜１５．０重量％とする理由は、０．０１重量％以下では、十分な耐食性を得ることができず、１０．０重量％を超えると、σ相などの金属間化合物の析出により十分な加工性が得られないからである。

本発明の高抵抗器用鉄合金は、必要に応じて、さらにＢ：０．００１〜１．５重量％、Ｎ：０．００１〜１．５重量％、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷ：それぞれ０．０１〜５．０重量％、からなる群から選択した１種又は２種以上の元素を含有させることができる。その添加効果を高めるための、成分の数値限定の理由は、次の通りである。

Ｂについては、０．００１〜１．５重量％とする理由は、０．００１重量％未満では鋳造組織及び鍛造組織においても微細な結晶粒組織を得るための添加効果が小さく、また１．５重量％を超えると硼素化合物等の析出により脆化してしまうからである。また、Ｎについては、０．００１〜１．５重量％とする理由は、０．００１重量％未満では十分な加工性を得るための添加効果が小さく、１．５重量％を超えると窒化物等の析出により脆化するからである。更に、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ添加については、材料強化に有効であり、Ｔｉ添加は粒界腐食の防止に有効であり、Ｖ添加は耐摩耗性改善に有効であり、Ｃｏ又はＮｉ添加はγ相の安定化による加工性改善に有効であり、Ｃｕ又はＮｂ添加は耐食性改善に有効であり、Ｍｏ添加は耐粒界腐食改善に有効であり、Ｗ添加は析出硬化に有効であるという理由による。これらを単独添加又は複合添加することができる。また、それを０．０１〜５．０重量％の範囲とするのは０．０１重量％未満であると添加効果がなく、５．０重量％を超えると脆化し、また抵抗値の温度係数が大きくなってしまうという問題があるので、上限を５．０重量％とする。

本発明の鉄合金は、比抵抗値を１５０μΩ・ｃｍ以上にさせることができ、また±２００ｐｐｍ／℃の範囲内の温度係数を有し、耐熱、耐食性に優れた材料が得られるという効果を有する。

本発明合金の製造方法としては、まずＭｎ：１０．０〜４５．０重量％、Ａｌ：５．０〜１５．０重量％、Ｃ：０．０１〜２．０重量％、Ｃｒ：０．０１〜１５．０重量％、残部Ｆｅからなる組成範囲内で成分調整する。また、必要に応じて、Ｂ：０．００１〜１．５重量％、Ｎ：０．００１〜１．５重量％、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ：それぞれ０．０１〜５．０重量％、から選択した元素の１種又は２種以上を所定量添加して、適宜原料成分を調整する。

次に、これをアーク溶解炉又は高周波溶解炉を用いて溶解し、これを鋳造インゴットとし、さらに８００℃〜１３００℃の温度にて熱間鍛造あるいは熱間圧延及び２００℃〜１１００℃までの温度にて焼鈍を行いながら冷間圧延・伸線等の加工工程を経て、また必要に応じて、２００℃〜１３００℃の温度にて熱処理後、焼き入れ又は空冷して製造する。その後、さらに必要に応じて、２００℃〜７００℃の温度にて時効熱処理して製造する。以上のようにして作製された材料の結晶組織は、γ相（ｆｃｃ構造）、α相（ｂｃｃ構造）、Ｃｒ炭化物などから形成される。

次に実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明する。本発明の鉄合金の範囲で、実施例１〜実施例３２を表１、表２及び表３に示した。実施例１−実施例３２の組成の合金について、高周波溶解炉を用いて溶解し、これを鋳造インゴットとした。次に１１００℃の温度にて、熱間圧延、１１００℃あるいは１２００℃の温度にて１５分の熱処理、及び水中焼き入れあるいは空冷の製造工程、またその後、必要に応じて３００℃〜５００℃の時効熱処理を経て鉄合金を作製した。

同様に、比較例１−比較例１３を表１に示した。比較例１−比較例１３の組成の合金について、高周波溶解炉を用いて溶解し、これを鋳造インゴットとした。次に１１００℃の温度にて、熱間圧延、１１００℃あるいは１２００℃の温度にて１５分の熱処理、及び水中焼き入れあるいは空冷の製造工程を経て鉄合金を作製した。

また、表１に、本発明の実施例１−実施例２５の鉄合金および比較例１−比較例１３の鉄合金の、熱処理条件、存在する相、冷間圧延率（％）、比抵抗値（μΩ・ｃｍ）、抵抗値の温度係数（ｐｐｍ／℃）（２０℃〜１００℃における）を示した。

【表１】

表１に示たし通り、実施例１−実施例２５の合金は、冷間圧延率６０％という優れた加工性および１５０μΩ・ｃｍ以上の高い比抵抗値および±２００ｐｐｍ／℃内の小さい温度係数を有する。これに対し、比較例１−比較例１３については、優れた加工性を有するが、比抵抗値が低く、温度係数も±２００ｐｐｍ／℃を超えている。あるいは、比抵抗値が充分に高く温度係数が小さくても、加工性が非常に悪くなっている（冷間圧延率２０％以下）。

表２は、実施例１５および実施例１８の鉄合金において、比抵抗値および温度係数に及ぼす時効熱処理の影響を調査した結果を示している。表２に示すとおり、適切な時効熱処理を施し、γ相、α相およびＣｒ炭化物の量を制御することにより、特に、抵抗値の温度係数を小さくすることができることがわかる。

表３は、実施例１３および実施例３１の鉄合金の耐熱性を調査した結果を示している。本発明の合金の耐熱性は、１５０℃にて２週間保持することにより調査した。表に示すとおり、本発明の合金は、１５０℃にて２週間保持してもその比抵抗値、温度係数は殆ど変化せず、耐熱性、経時変化にも極めて優れていることがわかる。

本発明の鉄合金は、加工性に優れ、比抵抗値が高く、温度特性にも優れ、さらに耐熱性、耐食性に富む材料を低コストで得られるという効果を有する。従って、高抵抗器用材料、一般パワー抵抗器、精密抵抗器、電熱線などに使用することができる。本発明は、前記の実施例によってなんら限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲における他の例、態様等を当然含むものである。

Claims

Ｍｎ：１０．０〜４５．０質量％、Ａｌ：５．０〜１５．０質量％、Ｃ：０．０１〜２．０質量％、Ｃｒ：０．０１〜１５．０質量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする高抵抗器用鉄合金。
添加元素として、さらにＢ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．００１〜１．５質量％、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷ：それぞれ０．０１〜５．０質量％、Ｃｕ：０．０１〜０．８質量％、からなる群から選択した１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の高抵抗器用鉄合金。
Ｍｎ：１０．０〜４５．０質量％、Ａｌ：５．０〜１５．０質量％、Ｃ：０．５〜２．０質量％、Ｃｒ：０．０１〜１５．０質量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする高抵抗器用鉄合金において、
添加元素として、さらにＢ：０．００１〜１．５質量％、Ｎ：０．００１〜１．５質量％、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷ：それぞれ０．０１〜５．０質量％、からなる群から選択した１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする高抵抗器用鉄合金。
１５０（μΩ・ｃｍ）以上の比抵抗値を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高抵抗器用鉄合金。
抵抗値の温度係数が、２０℃〜１００℃において、±２００ｐｐｍ／℃の範囲内である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高抵抗器用鉄合金。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の合金であって、時効熱処理により抵抗値の温度係数を低く制御した高抵抗器用鉄合金。