JP6300574B2 - 高剛性低熱膨張鋳物 - Google Patents
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Description
本発明は高いヤング率を有する高剛性低熱膨張鋳物に関する。
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合金が広く使用されている。しかしながら、従来のインバー合金には、ヤング率が一般鋼材の３分の２程度と小さいという問題があった。そのため、対象となる部品の肉厚を厚くするなどの、高剛性化設計を行う必要があった。
特許文献１には、この問題を解決するためにＮｂ等を添加してヤング率を高めた、高ヤング率低熱膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金が開示されている。特許文献２には、ＮｉとＣｏの含有量を適正化し、微細なＮｉ３（Ｔｉ，Ａｌ）を析出させて材料を強化した合金鋼を利用した超精密機器の部材が開示されている。
これらの特許文献に記載の発明は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌといった合金元素を添加した上で、インゴットを作成した後、熱間鍛造や圧延加工により結晶を微細化し、ヤング率を高めている。
一方、一般に、複雑な形状を有する部材には、製造の容易さから、機械加工や溶接ではなく、鋳物が用いられる。鋳物は鋳型に溶湯を流し込むことにより任意の形状が得られるので、製造が容易であるという利点がある。
鋳型による凝固では、鋳型壁面にほぼ垂直な方向に温度勾配が生じるため、結晶が温度勾配に平行に成長し、柱状晶が形成される。すなわち、鍛造加工を施した場合とは異なり、結晶が一方向に揃った組織となる。この傾向は、Ｎｉの含有量が多いと特に顕著になる。
単結晶低熱膨張合金の結晶方位とヤング率に関する研究によれば、＜１００＞方向の結晶からなる組織は、＜１１１＞方向、＜１１０＞方向の結晶からなる組織と比較してヤング率小さいことが知られている。柱状晶の優先成長方向は＜１００＞方向であるので、鋳物はヤング率が低くなると考えられるが、鋳物の凝固組織とヤング率に関する研究は見当たらない。
従来の低熱膨張鋳物は上述のとおりヤング率が低いので、複雑な形状を有する部材であっても低熱膨張で高剛性を必要とする部材は鋳物として製造することはできないという問題があった。
そこで本発明は、上記の問題を解決し、鋳造のままでも高いヤング率を有する、高剛性低熱膨張鋳物を得ることを課題とする。
本発明者らは、鋳物のヤング率を高める方法を鋭意検討した。その結果、鋳造方法を調整することにより、凝固組織を等軸晶主体として、結晶方位がランダムになるように鋳造すること、具体的には＜１１１＞方位の結晶が＜１００＞と同程度に発現させること、さらに、＜３１１＞方位の結晶を同程度に発現させることが可能であり、それによって、高ヤング率の低熱膨張鋳物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）断面の厚みが１０〜３００ｍｍである部位を有し、該断面の厚みが１０〜３００ｍｍである部位の任意の点における表面から厚さ方向に厚さの１／２から厚さの１／４の範囲における組織の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(111)、（２００）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(200)がＩ(111)／（Ｉ(111)＋Ｉ(200)）≧０．２を満たすことを特徴とする高剛性低熱膨張鋳物。
（２）前記断面の厚みが１０〜３００ｍｍである部位の任意の点における表面から厚さ方向に厚さの１／２の点における組織の（３１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(311)、表面から厚さ方向に厚さの１／２から厚さの１／４の範囲における組織の（２００）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(200)がＩ(311)／（Ｉ(311)＋Ｉ(200)）≧０．２を満たすことを特徴とする前記（１）の高剛性低熱膨張鋳物。
（３）質量％で、Ｎｉ：２８〜３７％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である成分組成を有することを特徴とする前記（１）又は（２）の高剛性低熱膨張鋳物。
（４）さらに、Ｃｏ：０．１〜１８％を含有することを特徴とする前記（３）の高剛性低熱膨張鋳物。
（５）さらに、Ｍｎ：０．１〜５．０％を含有することを特徴とする前記（３）又は（４）の高剛性低熱膨張鋳物。
（６）さらに、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．１％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする前記（３）〜（５）のいずれかの高剛性低熱膨張鋳物。
（７）さらに、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｃｕ：５％以下、Ｓ：０．０５％以下、及び、Ｃｅ及び／又はＬａ：０．１％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする前記（３）〜（６）のいずれかの高剛性低熱膨張鋳物。
本発明によれば、厚みが１０〜３００ｍｍである部位を有する鋳物においても、等軸晶を中心とした組織を有する、高剛性低熱膨張鋳物が得られるので、熱的に安定でありかつ複雑な形状が必要となる部品等に適用できる。
以下、本発明について詳細に説明する。以下、「％」は特に断りのない限り「質量％」を表すものとする。はじめに、本発明の鋳物の組織について説明する。
本発明の鋳物は組織の多くが等軸晶からなり、ヤング率の高い＜１１１＞方向の結晶が一定割合以上含まれることを特徴とする。さらに＜３１１＞方向の結晶が含まれてもよい。
より具体的には、表面から厚さ方向に厚さの１／２から１／４の範囲における組織の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(111)、（２００）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(200)が、Ｉ(111)／（Ｉ(111)＋Ｉ(200)）≧０．２、好ましくは、Ｉ(111)／（Ｉ(111)＋Ｉ(200)）≧０．３を満たすことを特徴とする。
さらに、表面から厚さ方向に厚さの１／２の点における組織の（３１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(311)、表面から厚さ方向に厚さの１／２の位置から１／４の範囲における組織の（２００）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(200)が、Ｉ(311)／（Ｉ(311)＋Ｉ(200)）≧０．２、好ましくはＩ(311)／（Ｉ(311)＋Ｉ(200)）≧０．３を満たす組織でもよい。本発明の鋳物のＸ線回折の一例を図１に示す。
表面から厚さ方向に厚さの１／２の位置、１／４の位置とは、図２に示すように、鋳物の厚みをＴとしたときに、鋳物の表面、すなわち、鋳型に接していた面からＴ／２、Ｔ／４の距離の位置をいう。
参考として、従来の鋳物の組織のＸ線回折ピークを図３に示す。図３から、ほとんどすべてが、ヤング率の低い＜２００＞方向（＜１００＞方向）の結晶であることがわかる。ヤング率は、試験片を鋳物から切り出し、共振法によって測定することができる。
次に、本発明の効果が特に大きく得られる鋳物の成分組成について説明する。本発明の成分組成は特に限定されるものではなく、一般的な成分組成を有する鋼鋳物で本発明の効果が得られるが、以下に説明するＮｉを２８〜３７％含むである低熱膨張鋼鋳物において、特に大きな効果が得られる。
Ｎｉは、Ｃｏとともに熱膨張係数を低下させる元素である。Ｎｉ量は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。熱膨張率を十分に小さくためにはＮｉ量を２８〜３７％とする必要がある。さらに、Ｎｉ量が３７％以上となると、高いヤング率を得ることができない。以上を考慮して、Ｎｉ量は２８〜３７％の範囲とする。
Ｃｏは、Ｎｉとの組み合わせにより熱膨張係数の低下に寄与する。所望の熱膨張係数を得るため、Ｃｏの範囲は０．１〜１８％とする。
Ｍｎは、脱酸材として添加される。また、熱膨張係数の低下、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％以上とする必要がある。Ｍｎの含有量が５．０％を超えても効果が飽和し、コスト高となるので、Ｍｎ量は５．０以下とする。
Ｎｂ、Ｔｉは凝固核を生成させる接種材として添加される。Ｎｂ、Ｔｉの添加により、溶湯内にＮｂＣ、ＴｉＮが生成して、この炭化物、窒化物を凝固核として微細な等軸晶が形成されやすくなり、本発明の所望の結晶方位が得られやすくなる。また、これらの元素は硬さ、引張強さを向上させる元素でもある。Ｎｂ、Ｔｉの含有量が多くなると靭性が著しく劣化するので、含有量はそれぞれ３％以下とする。
Ｚｒ、Ｂは、粗大な共晶炭化物の形成を抑制し、硬さ、引張強さを向上させる元素である。また、炭化物、ホウ化物を生成して接種材としての効果も有する。ただし、Ｚｒの含有量が２％を超えると、介在物が増加し材質が脆くなるので、かえって硬さ、引張強さが低下する。また、Ｂの含有量が０．０５％を超えると、粒界への偏析が顕著になり靭性が低下する。したがって、Ｚｒの含有量は２％以下、Ｂの含有量は０．０５％以下とする。
ＭｇはＳと結合することで熱間延性を向上させる機能を有する。さらに、Ｍｇ酸化物あるいはＭｇ蒸気が接種材としての効果も有する。Ｍｇの含有量が０．１％を超えると、溶湯の粘性が高められ、また、鋳造欠陥を生じるおそれがあるので、Ｍｇの含有量は０．１％以下とする。
Ｃは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与する。また、Ｔｉと結合してＴｉＣを形成し、強度を向上させる。Ｃの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなり、延性が低下するので、含有量は０．１％以下とする。
Ｓｉは、脱酸材として添加される。Ｓｉ量が２．０％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は２．０％以下とする。溶湯の流動性を向上させるためには、Ｓｉは０．１％以上含有させることが好ましい。
Ｃｕは、強度を向上させる元素である。Ｃｕの含有量が５％を超えても効果が飽和し、コスト高となるので、５％以下とする。
Ｓは被削性の向上を目的に含有させてもよいが、ＦｅＳを形成し、結晶粒界に晶出して熱間脆性の原因となるので、Ｓの含有量は０．０５％以下とする。
Ｃｅ、Ｌａは、硫化物による靭性の低下を抑制する元素である。Ｃｅ、Ｌａの含有量が０．１％を超えると効果が飽和するので、Ｃｅ、Ｌａの含有量は合計で０．１％以下とする。
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。
次に、本発明の鋳物の製造方法を説明する。
本発明の高剛性低熱膨張鋳物の製造に用いる鋳型や、鋳型への溶鋼の注入装置、注入方法は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。
上述した組織を持つ鋳物を製造するためには、鋳物の凝固組織が柱状晶ではなく等軸晶が中心となる組織となる製造条件とする必要がある。具体的には、鋳込温度、接種材、溶湯の流動条件を適切に選択する必要がある。
鋳込温度は、液相線に近い温度とすると組織が等軸晶となりやすい。具体的には、液相線温度＋３０〜５０℃程度とするのが好ましい。鋳込温度が低くなりすぎると、溶湯の流動性が悪くなり、鋳造欠陥が発生するので注意が必要である。
接種材としては、上述したとおり、溶湯にＮｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｍｇを含有させることにより、凝固核を生成しやすくすることができる。
さらに、通常鋳型に塗布される塗型材とともに、Ｃｏ（ＡｌＯ２）、ＣｏＳｉＯ３、Ｃｏ−ｂｏｒａｔｅ等のような接種材を鋳型表面に塗ることにより、凝固核が生成しやすくなり、等軸晶を中心とした組織となりやすくなる。
鋳型の壁面にほぼ垂直な方向にほぼ一様な温度勾配ができると組織は柱状晶となりやすくなるので、鋳型内の溶湯を流動させることによって、柱状晶を分断させて等軸晶を生成させる。溶湯を撹拌、流動させる方法としては電磁撹拌装置を用いた方法、鋳型を機械的に振動させる方法、溶湯を超音波で振動させる方法が適用できる。電磁撹拌や機械的振動、超音波振動には、公知の電磁撹拌装置、振動装置などを用いることができる。
一般に厚みの厚い鋳物の製造においては、鋳型内の溶湯が流動しやすく、比較的等軸晶が生成しやすいが、本発明の効果は断面の厚みが１０〜３００ｍｍ程度の薄い部位を有する鋳物でより大きく得られ、特に、断面の厚みが２０〜２００ｍｍである部位を有する鋳物、さらには、断面の厚みが２０〜１６０ｍｍである部位を有する鋳物で、ヤング率向上の効果を特に大きく得ることができる。
成分組成が表１に示す値となるように調整した溶湯を鋳型に注湯し鋳物を製造した。鋳込温度は液相線温度＋５０℃とし、発明例は、電動油圧サーボ式の振動を用いて振動距離を±４ｍｍ，振動数を１８０ｃｐｍで注湯開始から鋳型を機械的に振動させ、凝固後１０分後に停止させた。比較例は、鋳型の振動は行わなかった。
製造した鋳物について、鋳物の厚みが最も薄い部位を切断し、Ｘ線回析装置を用い、表面から厚さ方向に厚さの１／２から１／４の範囲の断面の回折ピーク強度を求めた。同じ位置の試料について、ヤング率、熱膨張係数を測定した。ヤング率は室温にて二点支持横共振法で測定し、熱膨張係数は、熱膨張測定機を用い、０〜６０℃の平均熱膨張係数として求めた。結果を表２に示す。また、図４に、成分組成が同じＮｏ．４〜１０、１９〜２１のＸ線回折ピークとヤング率の関係を示す。（ａ）はI(111)／(I(111)+I(200))とヤング率の関係、（ｂ）はI(311)／(I(311)+I(200))とヤング率の関係である。
表２、図４に示すとおり、本発明例の鋳物は、鋳造のままで＜１１１＞方向の結晶を含む組織となっており、Ｎｉ含有量が多い成分組成であってもヤング率が１４０ＧＰａ以上と高くなっていることが分かる。これに対して比較例は、ほとんどが＜１００＞方向の結晶からなる組織となっており、ヤング率が低くなっている。
図５に、発明例４と比較例２０の断面写真を示す。（ａ）が発明例４、（ｂ）が比較例２０である。（ａ）は全体が微細な等軸晶中心の組織になっているが、（ｂ）は表面付近から中心付近にかけて、柱状晶中心の組織となっていることが分かる。
Claims (6)
- 質量％で、Ｎｉ：２８〜３７％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である成分組成を有し、
断面の厚みが１０〜３００ｍｍである部位を有し、該断面の厚みが１０〜３００ｍｍである部位の任意の点における表面から厚さ方向に厚さの１／２から厚さの１／４の範囲における組織の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(111)、（２００）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(200)が
Ｉ(111)／（Ｉ(111)＋Ｉ(200)）≧０．２
を満たす
ことを特徴とする高剛性低熱膨張鋳物。 - 前記断面の厚みが１０〜３００ｍｍである部位の任意の点における表面から厚さ方向に厚さの１／２の点における組織の（３１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(311)、表面から厚さ方向に厚さの１／２から厚さの１／４の範囲における組織の（２００）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ(200)が
Ｉ(311)／（Ｉ(311)＋Ｉ(200)）≧０．２
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の高剛性低熱膨張鋳物。 - さらに、Ｃｏ：０．１〜１８％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高剛性低熱膨張鋳物。
- さらに、Ｍｎ：０．１〜５．０％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高剛性低熱膨張鋳物。
- さらに、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．１％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高剛性低熱膨張鋳物。
- さらに、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｃｕ：５％以下、Ｓ：０．０５％以下、及び、Ｃｅ及び／又はＬａ：０．１％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高剛性低熱膨張鋳物。
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