JP6634912B2 - Low thermal expansion alloy - Google Patents
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Description
本発明は、合金に関し、さらに詳しくは、低熱膨張合金に関する。 The present invention relates to alloys, and more particularly, to low thermal expansion alloys.
低熱膨張合金として、インバー（商標）合金が知られている。インバー合金は、自発体積磁歪（インバー効果）により、室温〜３００℃の範囲において、低い熱膨張係数を有する。そのため、熱の影響を受けても寸法が変化しにくい。インバー合金は、工作機械や精密測定機器等、高い寸法精度が求められる装置の部材に利用される。 Invar (trademark) alloy is known as a low thermal expansion alloy. Invar alloys have a low coefficient of thermal expansion in the range of room temperature to 300 ° C. due to spontaneous volume magnetostriction (Invar effect). Therefore, the dimensions are unlikely to change even under the influence of heat. Invar alloys are used for members of devices requiring high dimensional accuracy, such as machine tools and precision measuring devices.
しかしながら、インバー合金では、熱膨張係数が小さい反面、ヤング率は１４０ＧＰａ程度であり、一般的な鋼の２／３程度と低い。したがって、剛性が求められる部材にインバー合金を使用しにくい。 However, the invar alloy has a small coefficient of thermal expansion, but has a Young's modulus of about 140 GPa, which is as low as about 2/3 that of general steel. Therefore, it is difficult to use an Invar alloy for a member requiring rigidity.
特開平１１−３１０８４５号公報（特許文献１）は、ヤング率の高い低膨張鋳鉄を提案する。特許文献１に記載された鋳鉄の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．６〜２．０％、Ｎｉ：２５〜４０％、Ｃｏ：０．１〜１２．０％、Ｎｉ＋Ｃｏ：３４〜４０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下及びＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ又はＷの中から選ばれる１種又は数種類の金属元素を単独又は複合して０．５〜６．０％含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、固溶炭素分が０．４％以下である。この文献で開示された鋳鉄では、周期表４〜６族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ又はＷ）が固溶体を形成することにより、ヤング率を高める。この文献では、９００〜１２００℃で鋳鉄を熱処理することにより、金属組織中に残存する炭化物の析出物の面積率を３％以下にする。これにより、周期表４〜６族の元素が固溶し、ヤング率が高まる、と特許文献１には記載されている。 JP-A-11-310845 (Patent Document 1) proposes a low expansion cast iron having a high Young's modulus. The chemical composition of the cast iron described in Patent Document 1 is, by mass%, C: 0.6 to 2.0%, Ni: 25 to 40%, Co: 0.1 to 12.0%, Ni + Co: 34 to 40%, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, and one or several metal elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo or W alone Alternatively, it is contained in a combined amount of 0.5 to 6.0%, the balance being Fe and impurities, and the solute carbon content is 0.4% or less. In the cast iron disclosed in this document, the Young's modulus is increased by forming a solid solution of the elements in Groups 4 to 6 of the periodic table (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo or W). In this document, the area ratio of carbide precipitates remaining in the metal structure is reduced to 3% or less by heat-treating cast iron at 900 to 1200 ° C. Patent Literature 1 describes that the elements of Groups 4 to 6 of the periodic table are thereby dissolved in solid solution to increase the Young's modulus.
特開平０１−３０６５４１号公報（特許文献２）は、引張強さが高い低熱膨張性合金を提案する。特許文献２に記載された合金の化学組成は、重量％で、Ｎｉ：２９％以上３４％未満、Ｃｏ：１６％を超え２１％以下（ただし、Ｎｉ＋Ｃｏ：５０％以下）、Ｍｏ：０．５％以上３．０％以下、Ｔｉ：０．８％以上３．０％以下、Ａｌ：０．２％以上１．５％以下、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下並びに残部Ｆｅおよび不純物である。この文献では、合金に対して固溶化熱処理及び時効処理を施す。これにより、合金の引張強さが高まる、と特許文献２には記載されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 01-306541 (Patent Document 2) proposes a low thermal expansion alloy having high tensile strength. The chemical composition of the alloy described in Patent Document 2 is, in terms of% by weight, Ni: 29% to less than 34%, Co: more than 16% to 21% or less (Ni + Co: 50% or less), Mo: 0.5 % To 3.0%, Ti: 0.8% to 3.0%, Al: 0.2% to 1.5%, C: 0.1% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, with the balance being Fe and impurities. In this document, a solution heat treatment and an aging treatment are performed on an alloy. Patent Literature 2 describes that this increases the tensile strength of the alloy.
上述のとおり、特許文献１に開示された低膨張鋳鉄では、固溶強化によりヤング率を高める。しかしながら、熱膨張係数が高くなる場合がある。さらに、特許文献１では強度に関する記載はない。特許文献２に開示された低熱膨張性合金では、固溶強化及び時効硬化により引張強さを高める。しかしながら、ヤング率向上が望めず、熱膨張係数が高くなる場合がある。 As described above, in the low expansion cast iron disclosed in Patent Document 1, the Young's modulus is increased by solid solution strengthening. However, the coefficient of thermal expansion may increase. Further, Patent Document 1 does not describe the strength. In the low thermal expansion alloy disclosed in Patent Document 2, the tensile strength is increased by solid solution strengthening and age hardening. However, improvement of the Young's modulus cannot be expected, and the coefficient of thermal expansion may increase.
本発明の目的は、低い熱膨張係数と、高いヤング率及び高い引張強度を有する低熱膨脹合金を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a low thermal expansion alloy having a low coefficient of thermal expansion, high Young's modulus and high tensile strength.
本実施形態による低熱膨張合金は、質量％で、Ｃ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：３６．０〜４３．０％、Ｔｉ：３．０〜１０．０％、Ｓｉ：０．５％以下及びＡｌ：０．１％以下からなる群から選択される１種以上、及び、Ｎｂ：０〜５．０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。固溶Ｎｉ含有量は質量％で３３．０〜４１．０％であり、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量は式（１）を満たす。組織のマトリクスはオーステナイト単相であり、熱膨張率が５．５×１０ −６ ／℃以下であり、ヤング率が１５０ＧＰａ以上であり、引張強度が１０００ＭＰａ以上である。
０．０２２＜Ｔｉ／４７．８８＋Ｎｂ／９２．９１−Ｃ／１２．０１−［Ｔｉ］／４７．８８−［Ｎｂ］／９２．９１＜０．０７０・・・（１）
ここで、式（１）中のＴｉ、Ｃ及びＮｂには、Ｔｉ、Ｃ及びＮｂの含有量（質量％）が代入される。［Ｔｉ］、［Ｎｂ］には、固溶Ｔｉ含有量、固溶Ｎｂ含有量（質量％）が代入される。Ｎｂが含有されない場合、式（１）中のＮｂ及び［Ｎｂ］には「０」が代入される。
In the low thermal expansion alloy according to the present embodiment, C: 0.4 to 1.5%, Mn: 0.05 to 2.0%, Ni: 36.0 to 43.0%, Ti: 3. 0 to 10.0%, one or more selected from the group consisting of Si: 0.5% or less and Al: 0.1% or less, and Nb: 0 to 5.0%, with the balance being Fe And impurities. The solid solution Ni content is 33.0 to 41.0% by mass%, and the solid solution Ti content and the solid solution Nb content satisfy the formula (1). The matrix of the structure is an austenitic single phase, has a coefficient of thermal expansion of 5.5 × 10 −6 / ° C. or less, a Young's modulus of 150 GPa or more, and a tensile strength of 1000 MPa or more.
0.022 <Ti / 47.88 + Nb / 92.91-C / 12.01- [Ti] /47.88- [Nb] /92.91 <0.070 (1)
Here, the contents (% by mass) of Ti, C and Nb are substituted for Ti, C and Nb in the formula (1). For [Ti] and [Nb], the content of solid solution Ti and the content of solid solution Nb (% by mass) are substituted. When Nb is not contained, “0” is substituted for Nb and [Nb] in the equation (1).
本実施形態による低熱膨張合金は、低い熱膨張係数、高いヤング率及び高い引張強度を有する。 The low thermal expansion alloy according to the present embodiment has a low coefficient of thermal expansion, a high Young's modulus, and a high tensile strength.
本発明者らは、低熱膨脹合金の熱膨張係数、ヤング率及び引張強度について調査、検討を行った。その結果、本発明者らは次の知見を得た。 The present inventors investigated and examined the thermal expansion coefficient, Young's modulus, and tensile strength of a low thermal expansion alloy. As a result, the present inventors have obtained the following findings.
（１）低熱膨脹合金の母相の固溶Ｎｉ含有量を、インバー合金のＮｉ含有量である３６％に近づければ、熱膨張係数が低くなる。具体的には、固溶Ｎｉ含有量を質量％で３３．０〜４１．０％にすれば、熱膨張係数を低く抑えることができる。 (1) When the solid solution Ni content of the parent phase of the low thermal expansion alloy approaches 36%, which is the Ni content of the invar alloy, the thermal expansion coefficient decreases. Specifically, if the solid solution Ni content is set to 33.0 to 41.0% by mass%, the thermal expansion coefficient can be suppressed low.
（２）鋼中にＴｉＣ又は（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ（以下、ＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃを「特定炭化物」という場合がある。）を生成して、ヤング率を高める。具体的には、Ｃを０．４〜１．５％、Ｔｉを３．０〜１０．０％、Ｎｂを０〜５．０％含有して、鋼中にＴｉＣ又は（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃを晶出させれば、高いヤング率が得られる。なお、Ｎｂが含有されない場合、ＴｉＣが生成し、Ｎｂを含有した場合、（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃが生成する。 (2) TiC or (Ti, Nb) C (hereinafter, TiC and (Ti, Nb) C may be referred to as “specific carbide”) is generated in steel to increase the Young's modulus. Specifically, the steel contains 0.4 to 1.5% of C, 3.0 to 10.0% of Ti, and 0 to 5.0% of Nb, so that TiC or (Ti, Nb) C By crystallization, a high Young's modulus can be obtained. When Nb is not contained, TiC is generated, and when Nb is contained, (Ti, Nb) C is generated.
（３）鋼中にＮｉ3Ｔｉ又はＮｉ3（Ｔｉ，Ｎｂ）の金属間化合物（以下、Ｎｉ3Ｔｉ及びＮｉ3（Ｔｉ，Ｎｂ）を「特定金属間化合物」という場合がある。）を析出して、引張強度を高める。 (3) Ni 3 Ti or Ni 3 (Ti, Nb) intermetallic compound (hereinafter, Ni 3 Ti and Ni 3 (Ti, Nb) may be referred to as “specific intermetallic compound”) in steel. To increase the tensile strength.
鋼中の固溶Ｔｉ含有量、固溶Ｎｂ含有量が式（１）を満たせば、適切な量の特定金属間化合物が得られ、その結果、高い引張強度が得られる。
０．０２２＜Ｔｉ／４７．８８＋Ｎｂ／９２．９１−Ｃ／１２．０１−［Ｔｉ］／４７．８８−［Ｎｂ］／９２．９１＜０．０７０・・・（１）
ここで、式（１）中のＴｉ、Ｃ及びＮｂには、Ｔｉ、Ｃ及びＮｂの含有量（質量％）が代入される。［Ｔｉ］、［Ｎｂ］には、固溶Ｔｉ含有量、固溶Ｎｂ含有量（質量％）が代入される。Ｎｂが含有されない場合、式（１）中のＮｂ及び［Ｎｂ］には「０」が代入される。
If the content of the solid solution Ti and the content of the solid solution Nb in the steel satisfies the formula (1), an appropriate amount of the specific intermetallic compound is obtained, and as a result, a high tensile strength is obtained.
0.022 <Ti / 47.88 + Nb / 92.91-C / 12.01- [Ti] /47.88- [Nb] /92.91 <0.070 (1)
Here, the contents (% by mass) of Ti, C and Nb are substituted for Ti, C and Nb in the formula (1). For [Ti] and [Nb], the content of solid solution Ti and the content of solid solution Nb (% by mass) are substituted. When Nb is not contained, “0” is substituted for Nb and [Nb] in the equation (1).
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による低熱膨張合金は、質量％で、Ｃ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：３６．０〜４３．０％、Ｔｉ：３．０〜１０．０％、Ｓｉ：０．５％以下及びＡｌ：０．１％以下からなる群から選択される１種以上、及び、Ｎｂ：０〜５．０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。固溶Ｎｉ含有量は質量％で３３．０〜４１．０％であり、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量は式（１）を満たす。組織のマトリクスはオーステナイト単相であり、熱膨張率が５．５×１０ −６ ／℃以下であり、ヤング率が１５０ＧＰａ以上であり、引張強度が１０００ＭＰａ以上である。
０．０２２＜Ｔｉ／４７．８８＋Ｎｂ／９２．９１−Ｃ／１２．０１−［Ｔｉ］／４７．８８−［Ｎｂ］／９２．９１＜０．０７０・・・（１）
ここで、式（１）中のＴｉ、Ｃ及びＮｂには、Ｔｉ、Ｃ及びＮｂの含有量（質量％）が代入される。［Ｔｉ］、［Ｎｂ］には、固溶Ｔｉ含有量、固溶Ｎｂ含有量（質量％）が代入される。Ｎｂが含有されない場合、式（１）中のＮｂ及び［Ｎｂ］には「０」が代入される。
The low-thermal-expansion alloy according to the present embodiment completed based on the above findings has, in mass%, C: 0.4 to 1.5%, Mn: 0.05 to 2.0%, and Ni: 36.0 to 43. 0.0%, Ti: 3.0 to 10.0%, Si: 0.5% or less, and Al: at least one selected from the group consisting of 0.1% or less, and Nb: 0 to 5.0. %, With the balance being Fe and impurities. The solid solution Ni content is 33.0 to 41.0% by mass%, and the solid solution Ti content and the solid solution Nb content satisfy the formula (1). The matrix of the structure is an austenitic single phase, has a coefficient of thermal expansion of 5.5 × 10 −6 / ° C. or less, a Young's modulus of 150 GPa or more, and a tensile strength of 1000 MPa or more.
0.022 <Ti / 47.88 + Nb / 92.91-C / 12.01- [Ti] /47.88- [Nb] /92.91 <0.070 (1)
Here, the contents (% by mass) of Ti, C and Nb are substituted for Ti, C and Nb in the formula (1). For [Ti] and [Nb], the content of solid solution Ti and the content of solid solution Nb (% by mass) are substituted. When Nb is not contained, “0” is substituted for Nb and [Nb] in the equation (1).
上記低熱膨脹合金は、Ｎｂ：１．０〜５．０％を含有してもよい。 The low thermal expansion alloy may contain Nb: 1.0 to 5.0%.
以下、本実施形態による低熱膨張合金について詳述する。 Hereinafter, the low thermal expansion alloy according to the present embodiment will be described in detail.
［化学組成］
本実施形態の低熱膨張合金の化学組成は、次の元素を含有する。以下、化学組成における「％」は、質量％を意味する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the low thermal expansion alloy of this embodiment contains the following elements. Hereinafter, “%” in the chemical composition means mass%.
Ｃ：０．４〜１．５％
炭素（Ｃ）は、チタン（Ｔｉ）と結合してＴｉＣを形成する。また、Ｃは、Ｔｉ及びＮｂと結合して（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃを形成する。ＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃのヤング率は高く、さらに、熱膨張係数は低い。したがって、ＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃは合金の熱膨張係数の上昇を抑えつつ、ヤング率を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、この効果が有効に得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、ＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃが過剰に生成する。ＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃが過剰に生成した場合、応力集中により合金の強度が低下する。過剰なＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃはさらに、合金の鋳造性を低下する。したがって、Ｃ含有量は０．４〜１．５％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．４５％であり、より好ましくは０．５％であり、さらに好ましくは０．５５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は１．４％であり、より好ましくは１．３％であり、さらに好ましくは１．２％である。
C: 0.4-1.5%
Carbon (C) combines with titanium (Ti) to form TiC. C combines with Ti and Nb to form (Ti, Nb) C. TiC and (Ti, Nb) C have high Young's modulus and low thermal expansion coefficients. Therefore, TiC and (Ti, Nb) C increase the Young's modulus while suppressing an increase in the coefficient of thermal expansion of the alloy. If the C content is too low, this effect cannot be obtained effectively. On the other hand, if the C content is too high, TiC and (Ti, Nb) C are excessively generated. When TiC and (Ti, Nb) C are excessively generated, the strength of the alloy is reduced due to stress concentration. Excess TiC and (Ti, Nb) C further reduce the castability of the alloy. Therefore, the C content is 0.4 to 1.5%. A preferred lower limit of the C content is 0.45%, more preferably 0.5%, and still more preferably 0.55%. A preferred upper limit of the C content is 1.4%, more preferably 1.3%, and still more preferably 1.2%.
Ｍｎ：０．０５〜２．０％
マンガン（Ｍｎ）はＳと結合し、鋼の熱間加工性を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果が有効に得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、合金の自発体積磁歪が減少する。その結果、合金の熱膨張係数が高まる。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５〜２．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０５％よりも高く、より好ましくは０．０８％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は２．０％未満であり、より好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．２％である。
Mn: 0.05-2.0%
Manganese (Mn) combines with S to enhance the hot workability of steel. If the Mn content is too low, this effect cannot be obtained effectively. On the other hand, if the Mn content is too high, the spontaneous volume magnetostriction of the alloy decreases. As a result, the coefficient of thermal expansion of the alloy increases. Therefore, the Mn content is 0.05 to 2.0%. The preferred lower limit of the Mn content is higher than 0.05%, more preferably 0.08%. The preferred upper limit of the Mn content is less than 2.0%, more preferably 1.0%, and even more preferably 0.2%.
Ｎｉ：３６．０〜４３．０％
ニッケル（Ｎｉ）は、合金の自発体積磁歪を高め、その結果、熱膨張係数を低下する。Ｎｉはさらに、Ｔｉと結合してＮｉ3Ｔｉを形成し、合金の強度を高める。Ｎｉはまた、Ｔｉ及びＮｂと結合してＮｉ3（Ｔｉ，Ｎｂ）を形成し、合金の強度を高める。Ｎｉ含有量が低すぎれば、この効果は有効に得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、合金の熱膨張係数がかえって増大する。したがって、Ｎｉ含有量は３６．０〜４３．０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は３６．５％であり、より好ましくは３７．０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は４２．０％であり、より好ましくは４１．５％であり、さらに好ましくは４１．０％である。
Ni: 36.0 to 43.0%
Nickel (Ni) increases the spontaneous volume magnetostriction of the alloy and consequently lowers the coefficient of thermal expansion. Ni further combines with Ti to form Ni 3 Ti, increasing the strength of the alloy. Ni also combines with Ti and Nb to form Ni 3 (Ti, Nb), increasing the strength of the alloy. If the Ni content is too low, this effect cannot be obtained effectively. On the other hand, if the Ni content is too high, the coefficient of thermal expansion of the alloy rather increases. Therefore, the Ni content is 36.0 to 43.0%. A preferred lower limit of the Ni content is 36.5%, more preferably 37.0%. The preferable upper limit of the Ni content is 42.0%, more preferably 41.5%, and further preferably 41.0%.
Ｔｉ：３．０〜１０．０％
チタン（Ｔｉ）はＣと結合してＴｉＣを形成する。ＴｉＣのヤング率は高く、さらに、熱膨張係数は低い。したがって、ＴｉＣは合金の熱膨張係数の上昇を抑えつつ、ヤング率を高める。Ｔｉはさらに、Ｎｉと結合してＮｉ3Ｔｉを形成する。Ｎｉ3Ｔｉは合金の引張強度を高める。Ｔｉ含有量が低すぎれば、ＴｉＣが十分に晶出せず、またＮｉ3Ｔｉが十分に析出しないため、これらの効果が有効に得られない。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、過剰に析出したＮｉ3Ｔｉが熱膨張することにより熱膨張係数が増大する。したがって、Ｔｉ含有量は３．０〜１０．０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は３．５％であり、より好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは４．５％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は９．０％であり、より好ましくは８．０％であり、さらに好ましくは７．０％である。
Ti: 3.0 to 10.0%
Titanium (Ti) combines with C to form TiC. TiC has a high Young's modulus and a low coefficient of thermal expansion. Therefore, TiC increases the Young's modulus while suppressing an increase in the coefficient of thermal expansion of the alloy. Ti further combines with Ni to form Ni 3 Ti. Ni 3 Ti increases the tensile strength of the alloy. If the Ti content is too low, TiC does not crystallize sufficiently and Ni 3 Ti does not precipitate sufficiently, so that these effects cannot be obtained effectively. On the other hand, if the Ti content is too high, excessively precipitated Ni 3 Ti thermally expands, so that the coefficient of thermal expansion increases. Therefore, the Ti content is 3.0 to 10.0%. The preferable lower limit of the Ti content is 3.5%, more preferably 4.0%, and still more preferably 4.5%. The preferable upper limit of the Ti content is 9.0%, more preferably 8.0%, and still more preferably 7.0%.
低熱膨張合金はさらに、Ｓｉ及びＡｌからなる群から選択される１種以上を含有する。 The low thermal expansion alloy further contains at least one selected from the group consisting of Si and Al.
Ｓｉ：０．５％以下
シリコン（Ｓｉ）は鋼を脱酸する。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎれば、自発体積磁歪が減少し、合金の熱膨張係数が高まる。したがって、Ｓｉ含有量は０．５％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３％であり、さらに好ましくは０．２％である。
Si: 0.5% or less Silicon (Si) deoxidizes steel. However, if the Si content is too high, the spontaneous volume magnetostriction decreases and the coefficient of thermal expansion of the alloy increases. Therefore, the Si content is 0.5% or less. A preferred lower limit of the Si content is 0.01%. A preferred upper limit of the Si content is 0.3%, and more preferably 0.2%.
Ａｌ：０．１％以下
アルミニウム（Ａｌ）は鋼を脱酸する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎれば、合金の自発体積磁歪が減少する。その結果、合金の熱膨張係数が高まる。したがって、Ａｌ含有量は０．１％以下である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０５％である。本実施形態において、Ａｌ含有量とは、全Ａｌの含有量である。
Al: 0.1% or less Aluminum (Al) deoxidizes steel. However, if the Al content is too high, the spontaneous volume magnetostriction of the alloy will decrease. As a result, the coefficient of thermal expansion of the alloy increases. Therefore, the Al content is 0.1% or less. A preferred lower limit of the Al content is 0.001%, more preferably 0.005%. A preferred upper limit of the Al content is 0.05%. In the present embodiment, the Al content is the content of all Al.
本実施形態の低熱膨張合金の残部はＦｅ及び不純物である。ここで、不純物とは、合金を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の低熱膨張合金に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。不純物はたとえば、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）である。 The balance of the low thermal expansion alloy of this embodiment is Fe and impurities. Here, the impurities are those which are mixed in from the ore, scrap, or the production environment as raw materials when the alloy is industrially manufactured, and which do not adversely affect the low thermal expansion alloy of the present embodiment. Means acceptable. The impurities are, for example, phosphorus (P), sulfur (S), nitrogen (N), and oxygen (O).
本実施形態の低熱膨張合金はさらに、Ｎｂを含有してもよい。 The low thermal expansion alloy of the present embodiment may further contain Nb.
Ｎｂ：０〜５．０％
Ｎｂは任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＮｂはＴｉと同様の作用を有する。具体的には、Ｎｂは、Ｔｉと置換し、（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃを形成する。（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃのヤング率は高く、熱膨張係数は低い。したがって、（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃは合金の熱膨張係数の上昇を抑えつつ、ヤング率を高める。Ｎｂはさらに、時効処理後にＮｉ3（Ｔｉ、Ｎｂ）として母相に均一微細に析出し、引張強度を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、粗大な（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃが生成して熱間加工性が低下したり、粗大な（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃへの応力集中により強度が低下したりする。したがって、Ｎｂ含有量は０〜５．０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は１．０％であり、さらに好ましくは２．０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は４．５％であり、さらに好ましくは４．０％である。
Nb: 0 to 5.0%
Nb is an optional element and may not be contained. When contained, Nb has the same effect as Ti. Specifically, Nb replaces Ti and forms (Ti, Nb) C. (Ti, Nb) C has a high Young's modulus and a low coefficient of thermal expansion. Therefore, (Ti, Nb) C increases the Young's modulus while suppressing an increase in the coefficient of thermal expansion of the alloy. Further, Nb precipitates uniformly and finely in the matrix as Ni 3 (Ti, Nb) after the aging treatment, and enhances the tensile strength. However, if the Nb content is too high, coarse (Ti, Nb) C is generated and the hot workability is reduced, or the strength is reduced due to stress concentration on the coarse (Ti, Nb) C. . Therefore, the Nb content is 0 to 5.0%. A preferred lower limit of the Nb content is 1.0%, and more preferably 2.0%. The preferable upper limit of the Nb content is 4.5%, and more preferably 4.0%.
［組織］
本実施形態の低熱膨張合金の組織はマトリクス（母相）と、炭化物及び析出物とからなる。マトリクスはオーステナイト単相である。炭化物は、ＴｉＣ及び（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃである。析出物は、Ｎｉ3Ｔｉ及びＮｉ3（Ｔｉ、Ｎｂ）である。Ｎｂが含有されない場合、ＴｉＣが晶出し、Ｎｉ3Ｔｉが析出する。Ｎｂが含有される場合、（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃが晶出し、Ｎｉ3（Ｔｉ、Ｎｂ）が析出する。（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃは、ＴｉＣを構成するＴｉの一部がＮｂで置換された炭化物である。Ｎｉ3（Ｔｉ、Ｎｂ）は、Ｎｉ3Ｔｉを構成するＴｉの一部がＮｂで置換された金属間化合物である。
[Organization]
The structure of the low thermal expansion alloy of the present embodiment is composed of a matrix (mother phase), carbides and precipitates. The matrix is an austenitic single phase. The carbides are TiC and (Ti, Nb) C. The precipitates are Ni 3 Ti and Ni 3 (Ti, Nb). When Nb is not contained, TiC is crystallized and Ni 3 Ti is precipitated. When Nb is contained, (Ti, Nb) C is crystallized, and Ni 3 (Ti, Nb) is precipitated. (Ti, Nb) C is a carbide in which Ti constituting TiC is partially substituted with Nb. Ni 3 (Ti, Nb) is an intermetallic compound in which part of Ti constituting Ni 3 Ti is substituted with Nb.
［固溶Ｎｉ含有量、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量］
母相（オーステナイト）中に固溶するＮｉ、Ｔｉ及びＮｂの含有量は、質量％で、それぞれ次のとおりである。
[Soluble Ni Content, Soluble Ti Content and Soluble Nb Content]
The contents of Ni, Ti and Nb dissolved in the mother phase (austenite) in mass% are as follows.
固溶Ｎｉ含有量：３３．０〜４１．０％
オーステナイトに固溶するＮｉの含有量（固溶Ｎｉ含有量）が、インバー合金の化学組成中のＮｉ含有量である３６％に近ければ、合金の熱膨張係数が低くなる。固溶Ｎｉ含有量が低すぎる場合、及び、固溶Ｎｉ含有量が高すぎる場合には、合金の熱膨張係数が高くなる。したがって、母相中の固溶Ｎｉ含有量は３３．０〜４１．０％である。固溶Ｎｉ含有量の好ましい下限は３４．０％であり、より好ましくは３４．５％であり、さらに好ましくは３５．０％である。固溶Ｎｉ含有量の好ましい上限は４０．０％であり、より好ましくは３９．０％であり、さらに好ましくは３８．０％である。
Solid solution Ni content: 33.0 to 41.0%
If the content of Ni dissolved in austenite (solid solution Ni content) is close to the Ni content of 36% in the chemical composition of the Invar alloy, the coefficient of thermal expansion of the alloy becomes low. When the solid solution Ni content is too low and when the solid solution Ni content is too high, the coefficient of thermal expansion of the alloy increases. Therefore, the content of solid solution Ni in the mother phase is 33.0 to 41.0%. A preferred lower limit of the solid solution Ni content is 34.0%, more preferably 34.5%, and still more preferably 35.0%. A preferred upper limit of the solid solution Ni content is 40.0%, more preferably 39.0%, and further more preferably 38.0%.
固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量：式（１）を満たす含有量
０．０２２＜Ｔｉ／４７．８８＋Ｎｂ／９２．９１−Ｃ／１２．０１−［Ｔｉ］／４７．８８−［Ｎｂ］／９２．９１＜０．０７０・・・（１）
ここで、式（１）中のＴｉ、Ｃ及びＮｂには、合金中のＴｉ、Ｃ及びＮｂの含有量（質量％）が代入される。［Ｔｉ］、［Ｎｂ］には、固溶Ｔｉ含有量、固溶Ｎｂ含有量（質量％）が代入される。Ｎｂが含有されない場合、式（１）中のＮｂ及び［Ｎｂ］には「０」が代入される。
Solid solution Ti content and solid solution Nb content: Content satisfying formula (1) 0.022 <Ti / 47.88 + Nb / 92.91-C / 12.01- [Ti] /47.88- [Nb] ] /92.91 <0.070 (1)
Here, the contents (% by mass) of Ti, C and Nb in the alloy are substituted for Ti, C and Nb in the formula (1). For [Ti] and [Nb], the content of solid solution Ti and the content of solid solution Nb (% by mass) are substituted. When Nb is not contained, “0” is substituted for Nb and [Nb] in the equation (1).
上述の通り、鋼中のＴｉの一部は、まず凝固過程で特定炭化物（ＴｉＣ又は（Ｔｉ、Ｎｂ）Ｃ）として晶出する。特定炭化物として晶出したＴｉ以外の残りのＴｉは、オーステナイト中に固溶するか、特定金属間化合物（Ｎｉ3Ｔｉ又はＮｉ3（Ｔｉ，Ｎｂ））として析出する。本実施形態では、合金を溶体化処理して特定金属間化合物を一旦固溶させ、その後、時効処理により特定金属間化合物を再度析出させる。 As described above, part of Ti in the steel is first crystallized as a specific carbide (TiC or (Ti, Nb) C) in the solidification process. The remaining Ti other than the Ti crystallized as a specific carbide is dissolved in austenite or precipitates as a specific intermetallic compound (Ni 3 Ti or Ni 3 (Ti, Nb)). In this embodiment, the alloy is subjected to a solution treatment to temporarily dissolve the specific intermetallic compound, and thereafter, the specific intermetallic compound is precipitated again by aging treatment.
特定金属間化合物が少なすぎれば、低熱膨張合金の引張強度が低くなる。一方、特定金属間化合物が多すぎれば、過剰に析出した特定金属間化合物が熱膨張するため、低熱膨張合金の熱膨張係数が高くなる。特定金属間化合物の析出量が適切であれば、低熱膨張合金の引張強度が高くなり、かつ、熱膨張係数を低く抑えることができる。 If the specific intermetallic compound is too small, the tensile strength of the low thermal expansion alloy will be low. On the other hand, if the amount of the specific intermetallic compound is too large, the excessively precipitated specific intermetallic compound expands thermally, so that the low thermal expansion alloy has a high thermal expansion coefficient. If the precipitation amount of the specific intermetallic compound is appropriate, the tensile strength of the low thermal expansion alloy can be increased, and the coefficient of thermal expansion can be suppressed low.
特定金属間化合物の体積率を測定することは困難である。そこで、特定炭化物、特定金属間化合物として析出したＴｉ、Ｎｂ以外の他のＴｉ、Ｎｂ、すなわち、母相に固溶したＴｉ及びＮｂの含有量（固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量）を求め、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量に基づいて、特定金属間化合物の析出量を規定する。 It is difficult to measure the volume fraction of the specific intermetallic compound. Therefore, the contents of Ti and Nb other than Ti and Nb precipitated as specific carbides and specific intermetallic compounds, that is, the contents of Ti and Nb dissolved in the mother phase (the contents of Ti and Nb) Is determined, and the precipitation amount of the specific intermetallic compound is defined based on the solid solution Ti content and the solid solution Nb content.
Ｆ１＝Ｔｉ／４７．８８＋Ｎｂ／９２．９１−Ｃ／１２．０１−［Ｔｉ］／４７．８８−［Ｎｂ］／９２．９１と定義する。４７．８８はＴｉの原子量、９２．９１はＮｂの原子量、１２．０１はＣの原子量である。Ｆ１は、特定金属間化合物の析出量の指標である。上述のとおり、Ｔｉ及びＮｂは、固溶しているか、特定炭化物に含まれるか、特定金属間化合物に含まれる。したがって、合金に含有されるＴｉ含有量及びＮｂ含有量から、特定炭化物に含まれるＴｉ及びＮｂ含有量と、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量を差し引いた値が、特定金属間化合物に含まれるＴｉ含有量及びＮｂ含有量となる。Ｆ１は、特定金属間化合物に含まれるＴｉ含有量及びＮｂ含有量を意味する。 F1 = Ti / 47.88 + Nb / 92.91-C / 12.01- [Ti] /47.88- [Nb] /92.91 47.88 is the atomic weight of Ti, 92.91 is the atomic weight of Nb, and 12.01 is the atomic weight of C. F1 is an index of the amount of the specific intermetallic compound deposited. As described above, Ti and Nb are in a solid solution, included in a specific carbide, or included in a specific intermetallic compound. Therefore, the value obtained by subtracting the Ti and Nb contents contained in the specific carbide, the solid solution Ti content and the solid solution Nb content from the Ti content and the Nb content contained in the alloy, The contained Ti content and Nb content are obtained. F1 means the Ti content and the Nb content contained in the specific intermetallic compound.
Ｆ１が０．０２２以下であれば、特定金属間化合物の析出量が不十分である。この場合、低熱膨張合金の引張強度が低くなる。一方、Ｆ１が０．０７０以上であれば、特定金属間化合物の析出量が多すぎる。この場合、低熱膨張合金の熱膨張係数が高くなる。さらに金属間化合物が粗大化しやすいため、強度が低下する。Ｆ１が０．０２２よりも高く０．０７０未満であれば、特定金属間化合物の析出量が適切であるため、低熱膨張合金の引張強度は高く、熱膨張係数は低い。Ｆ１の好ましい下限は０．０５０である。Ｆ１の好ましい上限は０．０６５である。 If F1 is 0.022 or less, the amount of the specific intermetallic compound deposited is insufficient. In this case, the tensile strength of the low thermal expansion alloy decreases. On the other hand, if F1 is 0.070 or more, the precipitation amount of the specific intermetallic compound is too large. In this case, the coefficient of thermal expansion of the low thermal expansion alloy increases. Further, since the intermetallic compound tends to be coarse, the strength is reduced. When F1 is higher than 0.022 and lower than 0.070, the precipitation amount of the specific intermetallic compound is appropriate, so that the low thermal expansion alloy has a high tensile strength and a low thermal expansion coefficient. A preferred lower limit of F1 is 0.050. A preferred upper limit of F1 is 0.065.
固溶Ｎｉ含有量、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量は次の方法で測定される。低熱膨張合金の任意の箇所から、直径１００ｎｍ以下の三次元アトムプローブ用の針状試験片を作製する。三次元アトムプローブは、試料（試験片）温度５０Ｋ、パルスフラクション２０％の条件で実施する。このときＴｉＣ、（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ、及びＮｉ3Ｔｉ、Ｎｉ3（Ｔｉ、Ｎｂ）以外の部分（つまり母相）での、Ｎｉ、Ｔｉ及びＮｂの原子数濃度を求める。求めた原子数濃度に基づいて、固溶Ｎｉ含有量（質量％）、固溶Ｔｉ含有量（質量％）、及び、固溶Ｎｂ含有量（質量％）を求める。 The solid solution Ni content, solid solution Ti content and solid solution Nb content are measured by the following method. A needle-shaped test piece for a three-dimensional atom probe having a diameter of 100 nm or less is prepared from an arbitrary portion of the low thermal expansion alloy. The three-dimensional atom probe is performed under the conditions of a sample (test piece) temperature of 50 K and a pulse fraction of 20%. At this time, the atomic concentration of Ni, Ti, and Nb in portions other than TiC, (Ti, Nb) C, and Ni 3 Ti, Ni 3 (Ti, Nb) (that is, the parent phase) is obtained. Based on the determined atomic number concentration, the content of solid solution Ni (% by mass), the content of solid solution Ti (% by mass), and the content of solid solution Nb (% by mass) are determined.
［製造方法］
上述の低熱膨張合金の製造方法の一例を説明する。本製造方法は、低熱膨張合金を溶製して所定の形状にする工程（製造工程）と、製造された低熱膨張合金に対して熱処理をする工程（熱処理工程）とを含む。熱処理工程は、低熱膨張合金に対して溶体化処理を実施する工程（溶体化処理工程）と、溶体化処理された低熱膨張合金に対して時効処理を実施する工程（時効処理工程）とを含む。以下、各工程について詳述する。
[Production method]
An example of a method for manufacturing the above-described low thermal expansion alloy will be described. The present manufacturing method includes a step of melting a low thermal expansion alloy into a predetermined shape (manufacturing step) and a step of performing heat treatment on the manufactured low thermal expansion alloy (heat treatment step). The heat treatment step includes a step of performing a solution treatment on the low thermal expansion alloy (solution treatment step) and a step of performing an aging treatment on the solution treated low thermal expansion alloy (aging treatment step). . Hereinafter, each step will be described in detail.
［製造工程］
上記化学組成を有する合金を溶製する。溶製された合金を用いて、造塊法によりインゴットを製造する。製造されたインゴットに対して、熱間加工を実施して合金材を製造する。熱間加工はたとえば、熱間鍛造である。溶解された合金を鋳造してそのまま合金材としてもよい。
[Manufacturing process]
An alloy having the above chemical composition is melted. An ingot is manufactured by using the smelted alloy by an ingot-making method. Hot working is performed on the manufactured ingot to manufacture an alloy material. The hot working is, for example, hot forging. The melted alloy may be cast and used as an alloy material as it is.
［溶体化処理工程］
製造された合金材に対して、溶体化処理を実施する。溶体化処理における処理温度は１０００〜１２５０℃であり、処理時間は０．５〜１０時間である。溶体化処理により、合金材中の特定金属間化合物（Ｎｉ3Ｔｉ又はＮｉ3（Ｔｉ、Ｎｂ））を一旦溶解して、Ｎｉ、Ｔｉ及びＮｂをマトリクス（オーステナイト）に固溶させる。処理時間経過後、合金材を急冷（たとえば水冷）する。
[Solution treatment step]
A solution treatment is performed on the manufactured alloy material. The processing temperature in the solution treatment is 1000 to 1250 ° C., and the processing time is 0.5 to 10 hours. By the solution treatment, the specific intermetallic compound (Ni 3 Ti or Ni 3 (Ti, Nb)) in the alloy material is once dissolved, and Ni, Ti and Nb are dissolved in a matrix (austenite). After the elapse of the processing time, the alloy material is rapidly cooled (for example, water cooled).
溶体化処理での処理温度が１０００℃未満であれば、特定金属間化合物が固溶しにくい。一方、処理温度が１２５０℃よりも高ければ、合金材が部分溶融しやすくなる。したがって、処理温度は１０００〜１２５０℃である。溶体化処理での処理時間が０．５時間未満であれば、特定金属間化合物が固溶しにくい。処理時間が１０時間を超えれば、生産性が低下する。したがって、溶体化処理の処理時間は０．５〜１０時間である。 When the treatment temperature in the solution treatment is less than 1000 ° C., the specific intermetallic compound hardly forms a solid solution. On the other hand, if the processing temperature is higher than 1250 ° C., the alloy material is likely to be partially melted. Therefore, the processing temperature is 1000 to 1250 ° C. If the treatment time in the solution treatment is less than 0.5 hour, the specific intermetallic compound is unlikely to form a solid solution. If the processing time exceeds 10 hours, the productivity will decrease. Therefore, the processing time of the solution treatment is 0.5 to 10 hours.
［時効処理工程］
溶体化処理後の合金材に対して時効処理を実施して、低熱膨張合金を製造する。時効処理での処理温度は５２０〜７５０℃であり、処理時間は１〜１００時間である。時効処理により、合金中の固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量が式（１）を満たし、低熱膨張合金中に適切な量の特定金属間化合物が析出する。さらに、マトリクス中の固溶Ｎｉ含有量が自発体積磁歪を最も発揮する３３．０〜４１．５％になる。
[Aging treatment process]
Aging treatment is performed on the alloy material after the solution treatment to produce a low thermal expansion alloy. The processing temperature in the aging treatment is 520 to 750 ° C., and the processing time is 1 to 100 hours. By the aging treatment, the content of the solid solution Ti and the content of the solid solution Nb in the alloy satisfy the formula (1), and an appropriate amount of the specific intermetallic compound is precipitated in the low thermal expansion alloy. Further, the content of solid solution Ni in the matrix is 33.0 to 41.5%, which exhibits the largest spontaneous volume magnetostriction.
時効処理の処理温度が５２０℃未満、又は、７５０℃を超えれば、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量が高すぎ、特定金属間化合物の析出量が不足する。この場合、低熱膨脹合金の引張強度が低下する。 If the treatment temperature of the aging treatment is lower than 520 ° C. or higher than 750 ° C., the dissolved Ti content and the dissolved Nb content are too high, and the amount of the specific intermetallic compound deposited is insufficient. In this case, the tensile strength of the low thermal expansion alloy decreases.
時効処理の処理時間が１時間未満であれば、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量が高すぎ、特定金属間化合物の析出量が不足する。この場合、低熱膨脹合金の引張強度が低下する。一方、処理時間が１００時間よりも長ければ、生産性が低下する。 If the treatment time of the aging treatment is less than 1 hour, the content of the solid solution Ti and the content of the solid solution Nb are too high, and the amount of the specific intermetallic compound deposited becomes insufficient. In this case, the tensile strength of the low thermal expansion alloy decreases. On the other hand, if the processing time is longer than 100 hours, the productivity decreases.
以上の工程により、本実施形態の低熱膨張合金が製造される。 Through the above steps, the low thermal expansion alloy of the present embodiment is manufactured.
表１に示す化学組成の合金を真空中で誘導溶解し、直径１２０ｍｍで３０ｋｇのインゴットを製造した。 An alloy having a chemical composition shown in Table 1 was induction-melted in a vacuum to produce an ingot having a diameter of 120 mm and a weight of 30 kg.
製造されたインゴットを８００〜１２５０℃で熱間鍛造し、厚さ２０ｍｍの板材を製造した。各板材に対して、表２に示す処理温度、処理時間で溶体化処理を実施した。溶体化処理後の板材に対して表２に示す処理温度及び処理時間で時効処理を実施した。以上の工程により、供試材である板材を製造した。 The manufactured ingot was hot forged at 800 to 1250 ° C. to produce a plate material having a thickness of 20 mm. A solution treatment was performed on each plate at a treatment temperature and a treatment time shown in Table 2. Aging treatment was performed on the plate material after the solution treatment at the treatment temperature and treatment time shown in Table 2. Through the above steps, a plate material as a test material was manufactured.
［固溶Ｎｉ含有量、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量の測定試験］
各試験番号の板材から０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×１０ｍｍの柱状試験片を採取した。柱状試験片に対して電解研磨を実施し、柱状試験片を針状とした。作製された試験片を用いて、固溶Ｎｉ含有量、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量を上述の方法で測定した。結果を表２に示す。
[Measurement test of solid solution Ni content, solid solution Ti content and solid solution Nb content]
Column-shaped test pieces of 0.2 mm × 0.2 mm × 10 mm were collected from the plate material of each test number. The columnar test piece was subjected to electrolytic polishing, and the columnar test piece was made acicular. Using the prepared test pieces, the content of solid solution Ni, the content of solid solution Ti, and the content of solid solution Nb were measured by the above-described method. Table 2 shows the results.
［熱膨張係数測定試験］
上記板材から直径３ｍｍ、長さ１５ｍｍの試験片を作製した。試験片を用いて、熱膨張係数を求めた。具体的には、水平示差検出方式の測定装置を用いて、５℃／ｍｉｎの速度で昇温した場合の３０〜１００℃の平均熱膨張係数を求めた。結果を表２に示す。
[Thermal expansion coefficient measurement test]
A test piece having a diameter of 3 mm and a length of 15 mm was prepared from the plate. Using the test piece, the coefficient of thermal expansion was determined. Specifically, the average thermal expansion coefficient at 30 to 100 ° C. when the temperature was raised at a rate of 5 ° C./min was determined using a horizontal differential detection type measuring device. Table 2 shows the results.
[ヤング率測定試験]
上記板材から長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの試験片を作製した。試験片を用いてヤング率を求めた。具体的には、横共振法の測定装置を用いて、ヤング率を求めた。結果を表２に示す。
[Young's modulus measurement test]
A test piece having a length of 60 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1.5 mm was prepared from the above plate material. The Young's modulus was determined using the test piece. Specifically, the Young's modulus was determined using a measuring device based on the transverse resonance method. Table 2 shows the results.
［引張試験］
上記板材から、平行部の直径が６ｍｍ、平行部の長さが６５ｍｍの丸棒引張試験片を作製した。作製された引張試験片に歪ゲージを貼り付けた。その後、引張試験片を用いて、常温、大気中にて引張試験を実施し、応力−歪曲線を得た。得られた応力−歪曲線を用いて、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を求めた。結果を表２に示す。
[Tensile test]
From the above plate material, a round bar tensile test piece having a parallel portion having a diameter of 6 mm and a parallel portion having a length of 65 mm was produced. A strain gauge was attached to the produced tensile test piece. Thereafter, a tensile test was performed at room temperature and in the air using a tensile test piece to obtain a stress-strain curve. Using the obtained stress-strain curve, the tensile strength TS (MPa) was determined. Table 2 shows the results.
［試験結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１、２、１０、１３〜１９の化学組成は適切であり、固溶Ｎｉ含有量の適切であった。さらに、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量は式（１）を満たした。その結果、これらの試験番号では、熱膨張係数は５．５×１０-6／℃以下と低く、ヤング率は１５０ＧＰａ以上であった。さらに、引張強度は１０００ＭＰａ以上であった。
[Test results]
Referring to Tables 1 and 2, the chemical compositions of Test Nos. 1, 2, 10, 13 to 19 were appropriate, and the content of solid-solution Ni was appropriate. Further, the solid solution Ti content and the solid solution Nb content satisfied Expression (1). As a result, in these test numbers, the coefficient of thermal expansion was as low as 5.5 × 10 −6 / ° C. or less, and the Young's modulus was 150 GPa or more. Further, the tensile strength was 1000 MPa or more.
一方、試験番号３のＣ含有量は低すぎたため、ヤング率が１５０ＧＰａ未満であった。試験番号４のＣ含有量は高すぎたため、引張強度が１０００ＭＰａ未満であった。 On the other hand, since the C content of Test No. 3 was too low, the Young's modulus was less than 150 GPa. Since the C content of Test No. 4 was too high, the tensile strength was less than 1000 MPa.
試験番号５では、時効処理を行わなかった。そのため、Ｆ１が低すぎた。そのため、引張強度は１０００ＭＰａ未満であった。 In Test No. 5, the aging treatment was not performed. Therefore, F1 was too low. Therefore, the tensile strength was less than 1000 MPa.
試験番号６では、Ｆ１が高すぎた。そのため、熱膨張係数が５．５×１０-6／℃を超えた。さらに、引張強度が１０００ＭＰａ未満であった。 In test number 6, F1 was too high. Therefore, the thermal expansion coefficient exceeded 5.5 × 10 −6 / ° C. Further, the tensile strength was less than 1000 MPa.
試験番号７では、Ｎｉ含有量及び固溶Ｎｉ含有量が高すぎた。そのため、試験番号７の合金の熱膨張係数は５．５×１０-6／℃を超えた。試験番号８では、Ｎｉ含有量及び固溶Ｎｉ含有量が低すぎた。そのため、試験番号８の合金の熱膨張係数は５．５×１０-6／℃を超えた。 In Test No. 7, the Ni content and the solid solution Ni content were too high. Therefore, the coefficient of thermal expansion of the alloy of Test No. 7 exceeded 5.5 × 10 −6 / ° C. In Test No. 8, the Ni content and the solid solution Ni content were too low. Therefore, the coefficient of thermal expansion of the alloy of Test No. 8 exceeded 5.5 × 10 −6 / ° C.
試験番号９では、時効処理を実施せず、かつ、固溶Ｎｉ含有量が高すぎた。さらに、Ｆ１が低すぎた。そのため、引張強度は１０００ＭＰａ未満であり、熱膨張係数は５．５×１０-6／℃を超えた。 In Test No. 9, the aging treatment was not performed, and the content of solid-solution Ni was too high. Furthermore, F1 was too low. Therefore, the tensile strength was less than 1000 MPa, and the coefficient of thermal expansion exceeded 5.5 × 10 −6 / ° C.
試験番号１１では、時効処理での処理温度が高すぎた。そのため、固溶Ｎｉ含有量が高すぎ、Ｆ１が低すぎた。その結果、熱膨張係数は５．５×１０-6／℃を超え、引張強度が１０００ＭＰａ未満であった。 In Test No. 11, the treatment temperature in the aging treatment was too high. Therefore, the solid solution Ni content was too high and F1 was too low. As a result, the coefficient of thermal expansion exceeded 5.5 × 10 −6 / ° C., and the tensile strength was less than 1000 MPa.
試験番号１２では、時効処理での処理温度が低すぎた。そのため、固溶Ｎｉ含有量が高すぎ、Ｆ１が低すぎた。その結果、熱膨張係数は５．５×１０-6／℃を超え、引張強度が１０００ＭＰａ未満であった。 In Test No. 12, the treatment temperature in the aging treatment was too low. Therefore, the solid solution Ni content was too high and F1 was too low. As a result, the coefficient of thermal expansion exceeded 5.5 × 10 −6 / ° C., and the tensile strength was less than 1000 MPa.
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。 The embodiment of the invention has been described. However, the above-described embodiment is merely an example for implementing the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiments without departing from the spirit thereof.
Claims (2)
Ｃ：０．４〜１．５％、
Ｍｎ：０．０５〜２．０％、
Ｎｉ：３６．０〜４３．０％、
Ｔｉ：３．０〜１０．０％、
Ｓｉ：０．５％以下及びＡｌ：０．１％以下からなる群から選択される１種以上、及び、
Ｎｂ：０〜５．０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
固溶Ｎｉ含有量は質量％で３３．０〜４１．０％であり、固溶Ｔｉ含有量及び固溶Ｎｂ含有量は式（１）を満たし、
組織のマトリクスはオーステナイト単相であり、
熱膨張率が５．５×１０ −６ ／℃以下であり、
ヤング率が１５０ＧＰａ以上であり、
引張強度が１０００ＭＰａ以上である、低熱膨張合金。
０．０２２＜Ｔｉ／４７．８８＋Ｎｂ／９２．９１−Ｃ／１２．０１−［Ｔｉ］／４７．８８−［Ｎｂ］／９２．９１＜０．０７０・・・（１）
ここで、式（１）中のＴｉ、Ｃ及びＮｂには、Ｔｉ、Ｃ及びＮｂの含有量（質量％）が代入される。［Ｔｉ］、［Ｎｂ］には、固溶Ｔｉ含有量、固溶Ｎｂ含有量（質量％）が代入される。Ｎｂが含有されない場合、式（１）中のＮｂ及び［Ｎｂ］には「０」が代入される。 In mass%,
C: 0.4-1.5%,
Mn: 0.05-2.0% ,
Ni: 36.0 to 43.0%,
Ti: 3.0 to 10.0%,
At least one selected from the group consisting of Si: 0.5% or less and Al: 0.1% or less; and
Nb: 0 to 5.0%, the balance being Fe and impurities,
The solid solution Ni content is 33.0 to 41.0% by mass%, the solid solution Ti content and the solid solution Nb content satisfy the formula (1),
The matrix of the structure is austenitic single phase,
A coefficient of thermal expansion of 5.5 × 10 −6 / ° C. or less;
Young's modulus is 150 GPa or more,
A low thermal expansion alloy having a tensile strength of 1000 MPa or more .
0.022 <Ti / 47.88 + Nb / 92.91-C / 12.01- [Ti] /47.88- [Nb] /92.91 <0.070 (1)
Here, the contents (% by mass) of Ti, C and Nb are substituted for Ti, C and Nb in the formula (1). For [Ti] and [Nb], the solid-solution Ti content and the solid-solution Nb content (% by mass) are substituted. When Nb is not contained, “0” is substituted for Nb and [Nb] in the equation (1).
Ｎｂ：１．０〜５．０％を含有する、低熱膨張合金。 The low thermal expansion alloy according to claim 1,
Nb: Low thermal expansion alloy containing 1.0 to 5.0%.
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