JP6188643B2 - 極低熱膨張合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は極めて低い熱膨張係数を有する合金及びその製造方法に関する。

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及びスーパーインバー合金が広く使用されている。代表的なインバー合金Ｆｅ−３６％Ｎｉの熱膨張係数は１．５〜２×１０^-6/℃であるのに対して、公称組成Ｆｅ−３２％Ｎｉ−５％Ｃｏのスーパーインバー合金の熱膨張係数は約０．５×１０^-6/℃と極めて小さい。

スーパーインバー合金の改良に関して、特許文献１、２には、低温でのオーステナイトからマルテンサイトへの変態を抑制した、低温対応型精密機器に対応した合金が開示されている。特許文献２には、さらに、被削性を改良したスーパーインバー合金が開示されており、特許文献３には被削性、鋳造性、振動減衰性を改良した合金が開示されている。

特開２００１−１１５８０号公報 特開２００３−２２１６５０号公報 特開平１１−１５８５４２号公報

近年、エレクトロニクス産業をはじめとする各種産業に関連した工作機械、測定機器などに対する高精度化が、従来にも増して高まっている。熱的な安定度に対する要求も、従来と比較して高くなっており、複雑な形状を有する部材であっても製造が可能な鋳物部品においても、極めて低い熱膨張係数を有する部品材料が求められている。

従来から、鋼中のＮｉ、Ｃｏの含有量を最適化することにより、熱膨張係数を小さくすることが可能であり、計算上はほぼゼロとできることが知られているが、熱膨張係数が極めて低い実用的な部品を製造する技術は開発されていなかった。

そこで本発明は、上記の問題を解決し、合金に適切な熱処理を施すことにより得られる、極めて低い熱膨張係数を有する極低熱膨張合金、及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、合金の熱膨張を、室温付近において極めて低くする方法を鋭意検討した。その結果、組織中のＮｉのミクロ偏析と熱膨張係数との間に相関があることを見出し、スーパーインバー合金の成分組成を有する合金に適切な処理を施すことにより、Ｎｉのミクロ偏析を減少させ、極めて低い熱膨張係数を有する合金を得ることができることを見出した。本発明はそ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）成分組成が、質量％で、Ｎｉ：３１．０〜３３．５％、及びＣｏ：４．０〜６．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、任意の位置でＥＰＭＡを用いた線分析で測定したＮｉ含有率の最大値と最小値の比が１．０５以下となる組織であることを特徴とする極低熱膨張合金。

（２）前記成分組成が、質量％で、さらに、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、及びＡｌ：０．３％以下の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）の極低熱膨張合金。

（３）成分組成が、質量％で、Ｎｉ：３１．０〜３３．５％、及びＣｏ：４．０〜６．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼を鋳造し、鋳造された鋼を１１００〜１３００℃に拡散加熱して、１０＾｛１１７８４／（加熱温度（℃）＋２７３）−７｝ｈｒ以上保持し、加熱保持後の鋼を空冷し、空冷後の鋼に８００〜８５０℃で１〜３ｈｒ溶体化した後、水冷し、溶体化処理後の鋼に２５０〜３５０℃で１〜３ｈｒ応力除去焼なましを施すことを特徴とする極低熱膨張合金の製造方法。

（４）前記鋳造された鋼に、前記拡散加熱の前及び後の少なくとも一方で鍛造を施すことを特徴とする前記（３）の極低熱膨張合金の製造方法。

（５）前記成分組成が、質量％で、さらにＳｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．５％以下、及びＡｌ：０．２％以下の１種以上を含有することを特徴とする前記（３）又は（４）の極低膨張鋼合金の製造方法。

本発明によれば、極めて低い熱膨張係数を有する合金が安定して製造できるので、熱的に極めて高い安定性を求められ、かつ複雑な形状が必要となる部品等に適用できる。

実施例の合金について、ＥＰＭＡを用いた線分析でＮｉの濃度分布を測定した結果である。 実施例の合金について、ＥＰＭＡを用いた線分析でＣｏの濃度分布を測定した結果である。 実施例の合金の熱膨張曲線を示す図である。 実施例の合金の偏析比と熱膨張係数の関係を示す図である。

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、本発明の合金の成分組成について説明する。

本発明の極低熱膨張合金では、Ｎｉ及びＣｏの含有量が極めて重要である。Ｎｉ、Ｃｏは、ともに熱膨張係数を低下させる元素であり、多すぎても少なすぎても熱膨張係数が十分に小さくならない。本発明の極低熱膨張合金では、Ｎｉの含有量を３１．０〜３３．５％、好ましくは３１．３〜３２．５％、Ｃｏの含有量を４．０〜６．５％、好ましくは４．３〜５．５％とする。Ｎｉ、Ｃｏを所定の含有量とし、さらに、合金の組織を後述する組織とすることにより、０〜６０℃の熱膨張係数を±０．１×１０^-6 以内とすることが可能となる。

本発明の極低熱膨張合金には、脱酸剤として、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭを、所定の範囲内で添加してもよい。ＲＥＭは希土類元素である。以下に説明する範囲内であれば、添加しても、合金の熱膨張係数には影響しない。

Ｍｎは、脱酸材として添加される。また、固溶強化による強度向上にも寄与する。この効果を得るためには、Ｍｎ量を０．１％以上とするのが好ましい。Ｍｎの含有量が０．５％を超えても効果が飽和し、熱膨張係数が大きくなり、コスト高となるので、Ｍｎ量は０．５％以下とする。

Ｓｉは、脱酸材として添加される。また、鋳造の際に溶湯の流動性を高める効果もある。Ｓｉ量が０．３％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．３％以下とする。熱膨張係数の観点からは、Ｓｉ量は低い方が好ましい。

Ａｌは、ＳｉやＭｎよりも効果的な脱酸剤である。Ａｌ量が０．２％を超えると、生成したＡｌ酸化物により美観を損ね、さらに腐食の起点となり耐酸化性が劣化するので、Ａｌ量は０．２％以下とする。

また，Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭは、脱硫剤として添加される。Ｍｇ，Ｃａは０．１％以下，ＲＥＭは，０．２％以下の範囲で含有させることにより，硫黄による合金の割れ感受性を抑制することができる。

成分組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物とは、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う。具体的には、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｏ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｂ、及びＨがあげられる。

通常、Ｃ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｓｎ、及びＡｓは０．１％以下、Ｐ、Ｓ、及びＯは０．０５％以下、Ｐｂ及びＢｉは０．００５％以下、Ｂ、及びＨは０．０００５％以下の不可避的不純物としての混入があり得るが、通常の不可避的不純物の範囲であれば、熱膨張係数に影響はないので、特に制御する必要はない。

また、本発明の発明における任意の添加元素であるＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭも、含有を意図しなくても不可避的不純物として混入することがあり得るが、上述したＳｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．３％以下、Ｍｇ：０．１％以下、Ｃａ：０．１％以下、ＲＥＭ：０．２％以下の範囲であれば問題はない。

本発明の合金の組織は、任意の位置でＥＰＭＡを用いた線分析で測定したＮｉ含有率の最大値と最小値の比が１．０５以下となる。すなわち、Ｎｉが偏析することなく、組織全体にＦｅと固溶しあっている。これにより、従来の低熱膨張合金と比較して、極めて熱膨張係数の低い合金を得ることができる。このような組織を得るために、本発明の極低熱膨張合金の製造方法においては、合金に以下に説明する熱処理を施す。

熱処理を施す前の合金の製造方法や形状などは、特に限定されるものではない。所望の成分組成となるように調整した溶湯を鋳造した鋳物のままでもよいし、強度を高めることを目的に圧延や鍛造などを施したものでもよい。鋳造に用いる鋳型や、鋳型への溶鋼の注入装置、注入方法も特に限定されるものではなく、公知の装置、方法を用いればよい。圧延や鍛造は、以下の熱処理の前に施してもよいし、以下の拡散処理工程の後に施してもよい。その両方で施してもよい。

はじめに、合金を１１００〜１３００℃に加熱して、１０＾｛１１７８４／（加熱温度（℃）＋２７３）−７｝ｈｒ以上保持する（拡散処理工程）。これにより鋼中のＮｉが拡散するのでＮｉのミクロ偏析がなくなり、比較的大きなサイズの鋳物であっても、極めて低い熱膨張係数を有する鋼を安定して製造することが可能となる。より具体的には、ＥＰＭＡを用いた線分析で測定したＮｉ含有率の最大値と最小値の比が、１．０５以下となる組織が得られる。

次に、拡散処理を施した合金を空冷し、８００〜８５０℃で１〜５ｈｒ保持した後、室温まで急冷する（溶体化工程）。冷却の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。これにより、析出物が固溶して、熱膨張係数が小さくなり、延性、靭性が向上する。拡散処理後の冷却は特に限定されず、一度室温まで冷却してから溶体化工程の温度まで加熱してもよいし、拡散処理工程の温度から溶体化工程の温度まで低下させ、そのまま溶体化処理を施してもよい。

次に、溶体化処理を施した合金を３００〜３５０℃で１〜５ｈｒ保持し、その後空冷する（応力除去焼なまし処理工程）。これにより、熱処理の過程で生じた残留応力を除去することができる。

［実施例１］
Ｎｉ：３１．５９％、Ｃｏ：５．５５％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物である合金を高周波溶解炉で溶解し、溶湯を鋳型に注湯し、鋳造物を製造した。鋳造物は、厚さ２５〜５０ｍｍのＹブロック形状とした。

製造した鋳造物に対し、
（ａ）拡散処理→溶体化処理→応力除去焼きなまし処理
（ｂ）溶体化処理→応力除去焼きなまし処理
の２種類の熱処理のいずれかを施し、最終的な合金を得た。拡散処理は、１２００℃で２４ｈｒ保持、溶体化処理は８３０℃で２ｈｒ保持した後、水冷、応力除去焼きなましは３１５℃で２ｈｒ保持後、空冷とした。

熱処理を施した合金の厚さ方向の外側近傍、及び中心部から熱膨張測定試験片を採取し、熱膨張測定器を用いて、０〜６０℃における熱膨張係数を測定した。さらに、熱膨張測定試験片を採取した付近のＮｉ及びＣｏの濃度分布を、ＥＰＭＡ線分析で測定した。ＥＰＭＡ線分析の測定条件は、加速電圧：１５．０ｋＶ，測定間隔：１０μｍ、測定距離：２．０００ｍｍである。

図１の（ａ）〜（ｄ）にＮｉの濃度分布の測定結果、図２にＣｏ濃度分布の測定結果の一例を示す。Ｃｏの濃度分布にバラツキはなかったが，Ｎｉの濃度分布にはミクロ偏析が見られた。ミクロ偏析を定量化するために、ＮｉＫαのカウント数の最も大きい値を３個（ただし、１００μｍ以上離れた領域）と最も小さい値３個（同様に、１００μｍ以上離れた領域）を抽出し、それぞれの平均値を最大値、最小値と定義した。この最大値を最小値で割った値を偏析比と定義した。

偏析比、及び熱膨張係数の測定結果を表１に示す。また、図３に熱膨張曲線を示す。３１は試料１の中心、３２は試料２の中心での測定結果である。さらに、図４に偏析比と熱膨張係数の関係を示す。偏析比が１．０５以下となると、０〜６０℃の熱膨張係数が±０．１×１０^-6 以内となることが確認できた。

［実施例２］
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ含有量を変化させた合金を高周波溶解炉で溶解し、溶湯を鋳型に注湯し、鋳造物を製造した。鋳造物は、厚さ２５〜５０ｍｍのＹブロック形状とした。

製造した鋳造物に対し、
（ａ）拡散処理→溶体化処理→応力除去焼きなまし処理
（ｂ）拡散処理→鍛造→溶体化処理→応力除去焼きなまし処理
（ｃ）溶体化処理→応力除去焼きなまし処理
の３種類の工程を施し、最終的な合金を得た。拡散処理は、１１００−１３００℃で１０−５０ｈｒ保持、溶体化処理は８３０℃で２ｈｒ保持した後、水冷、応力除去焼きなましは３１５℃で２ｈｒ保持後、空冷とした。鍛造は、鍛錬比を４として行った。

合金の化学成分と、ＥＰＭＡ分析による偏析比、０〜６０℃における平均熱膨張係数の測定結果を表２に示す。ＥＰＭＡ分析、熱膨張係数の測定方法は、実施例１と同じである。本発明によれば、偏析比が１．０５以下で、熱膨張係数が±０．１×１０^-6/℃以内と極めて低い熱膨張合金が得られることが確認できた。

Claims (5)

1. 成分組成が、質量％で、
   Ｎｉ：３１．０〜３３．５％、及び
   Ｃｏ：４．０〜６．５％
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
   任意の位置でＥＰＭＡを用いた線分析で測定したＮｉ含有率の最大値と最小値の比が１．０５以下となる組織であり、
   ０〜６０℃の熱膨張係数が±０．１×１０ ^-6 ／℃以内である
   ことを特徴とする極低熱膨張合金。
2. 前記成分組成が、質量％で、さらに、
   Ｓｉ：０．３％以下、
   Ｍｎ：０．５％以下、
   Ａｌ：０．２％以下
   Ｍｇ：０．１％以下、
   Ｃａ：０．１％以下。及び
   ＲＥＭ：０．２％以下
   の１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の極低熱膨張合金。
3. 成分組成が、質量％で、
   Ｎｉ：３１．０〜３３．５％、及び
   Ｃｏ：４．０〜６．５％
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼を鋳造し、
   鋳造された鋼を１１００〜１３００℃に拡散加熱して、１０＾｛１１７８４／（加熱温度（℃）＋２７３）−７｝ｈｒ以上保持し、
   加熱保持後の鋼を空冷し、
   空冷後の鋼に８００〜８５０℃で１〜３ｈｒ溶体化した後、水冷し、
   溶体化処理後の鋼に２５０〜３５０℃で１〜３ｈｒ応力除去焼なましを施す
   ことを特徴とする極低熱膨張合金の製造方法。
4. 前記鋳造された鋼に、前記拡散加熱の前及び後の少なくとも一方で鍛造を施すことを特徴とする請求項３に記載の極低熱膨張合金の製造方法。
5. 前記成分組成が、質量％で、さらに
   Ｓｉ：０．３％以下、
   Ｍｎ：０．５％以下、
   Ａｌ：０．２％以下
   Ｍｇ：０．１％以下、
   Ｃａ：０．１％以下。及び
   ＲＥＭ：０．２％以下
   の１種以上を含有することを特徴とする請求項３又は４に記載の極低熱膨張合金の製造方法。

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