JP6692466B2 - 低熱膨張合金 - Google Patents
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Description
本発明は低熱膨張合金に関し、特に、低温域で使用され、または低温に晒される場合に、変態を防止して精密機器等での精度に影響する変形を抑止した低熱膨張合金に関する。
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。特に、いわゆるスーパーインバー合金と呼ばれる３２％Ｎｉ−５％Ｃｏ−Ｆｅ（「％」は「質量％」を意味する。以下同じ）合金が使用されている。３２％Ｎｉ−５％Ｃｏ−Ｆｅ合金の平均熱膨張係数は、１×１０-6／℃以下と極めて小さい。
さらに、使用環境や輸送経路の多様化により寒冷地での使用や、輸送中一時的に低温に晒されることによる低温化対応といった低温域での精度上の安定使用が、低熱膨張合金に強く望まれている。
特許文献１は、快削性に富む低温安定型低熱膨張合金を開示している。特許文献１に開示された低熱膨張合金は、重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１５〜０．０３０％、Ｎｉ：３０．０〜３５．０％、Ｃｏ：２．０〜６．５％を含有し、Ｎｉ，Ｃｏ及びＳ含有量を適切に調整し、−２０℃以上の温度域でマルテンサイト変態を生じないことを特徴とする。
特許文献２は、重量％で、Ｃ：０．２〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｎｉ：２６〜３０％、Ｃｏ：６〜９％、Ｎｉ＋Ｃｏ：３４〜３７％、Ｃｕ：０．２〜１．０％を含有し、８５０℃以下の温度で均一化焼なましを実施することにより、常温〜２００℃における線熱膨張係数が１．５×１０-6／℃以下で、熱処理変形がほとんど発生せず、マルテンサイト変態開始点が−５０℃以下とした低熱膨張鋳造材を開示している。
特許文献３は、重量％で、Ｎｉ：３０．０〜３４．０％、Ｃｏ：４．５〜６．５％を含有し、所定の温度域で、マルテンサイト変態が生じない範囲になるようにＮｉおよびＣｏ含有量からＸＴ：（％Ｃｏ）＋２．８（％Ｎｉ）を求め、このＸＴが９３≦｛ＸＴ＝（％Ｃｏ）＋２．８（％Ｎｉ）｝≦９９を満足するように成分調整し、低温でのマルテンサイト変態を抑制し、熱膨張係数が１．０×１０-6／℃以下である低温安定型Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系低熱膨張合金を開示している。
近年、低熱膨張合金には、科学衛星などの用途により、たとえば−１２０℃のような低い温度での低温安定性が要求されている。
本発明は、−１２０℃以上の範囲でマルテンサイト変態が生じない、低温安定型低熱膨張合金を提供することを課題とする。
本発明者らは、低熱膨張合金の低温安定化について、鋭意検討した。鋼は温度が低くなるとマルテンサイト変態を生じる。低熱膨張合金ではマルテンサイト変態温度は通常０℃以下であるが、マルテンサイト変態が生じると著しい膨張が生じ、部材の寸法精度、低熱膨張特性が劣化する。
本発明者らの検討の結果、ＮｉとＣｏの含有量を限定し、さらに、この２つの元素の含有量の関係を限定することにより、マルテンサイト変態温度を下げ、−１２０℃でもマルテンサイト変態が生じない安定な組織が得られることを知見した。
本発明は上記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）質量％で、Ｃｏ：１．５０〜５．００％を含有し、かつ、Ｎｉの含有量を［Ｎｉ］（質量％）、Ｃｏの含有量を［Ｃｏ］（質量％）としたとき、［Ｃｏ］≧−４×［Ｎｉ］＋１３６、及び［Ｃｏ］≦−４×［Ｎｉ］＋１３９を満たすＮｉを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、０〜３０℃における平均熱膨張係数が０．５×１０-6／℃以下であり、マルテンサイト変態温度が−１２０℃以下であることを特徴とする低熱膨張合金。
（２）前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃ：０〜０．０４０％、Ｓｉ：０〜０．３０％、Ｍｎ：０〜０．５０％、Ａｌ：０〜０．２０％、Ｍｇ：０〜０．１００％、Ｃａ：０〜０．１００％、Ｃｅ：０〜０．１００％、及びＬａ：０〜０．１００％の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）の低熱膨張合金。
本発明によれば、−１２０℃以上の温度でマルテンサイト変態の生じない低温安定型低熱膨張合金が得られるので、従来よりも低い低温域で使用する部材等に適用できる。
以下、本発明について詳細に説明する。以下、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、本発明の低熱膨張合金の成分組成について説明する。
Ｃｏは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。熱膨張係数を所望の範囲とするために、Ｃｏの含有量は１．５０〜５．００％とする。より低い熱膨張係数を得るため、好ましくは、２．５０〜４．５０％とする。
本発明の低熱膨張合金は、さらに、以下の成分を含有してもよい。Ｃｏ以外の元素は必須ではなく、含有量は０でもよい。
Ｃは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与する。Ｃの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなる。さらに、延性が低下して、鋳造割れが生じやすくなるので、含有量は０．０４０％以下、好ましくは０．０１０％以下とする。
Ｓｉは、脱酸材として添加される。Ｓｉ量が０．３０％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．３０％以下、好ましくは０．１０％以下とする。鋳造時の溶湯の流動性を向上させるためには、Ｓｉは０．０５％以上含有させることが好ましい。
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。Ｍｎの含有量が多すぎると、熱膨張係数が高くなるので、Ｍｎ量は０．５０％以下、好ましくは０．２０％以下とする。
Ｎｉは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。本発明の低温安定型低熱膨張合金においては、マルテンサイト変態温度を下げ、−１２０℃でもマルテンサイト変態が生じない安定な組織が得るために、Ｎｉ量とＣｏ量のバランスが重要である。具体的には、Ｎｉの含有量を［Ｎｉ］（質量％）、Ｃｏの含有量を［Ｃｏ］（質量％）としたとき、［Ｃｏ］≧−４×［Ｎｉ］＋１３６、及び［Ｃｏ］≦−４×［Ｎｉ］＋１３９を満たすＮｉを含有する必要がある。たとえば、Ｃｏ量が３．００％のとき、Ｎｉの含有量は３３．２５〜３４．００％とする。このように、Ｎｉを限られた範囲に限定することにより、低温で安定な組織を得ることができる。より低い熱膨張係数を得るため、好ましくは、［Ｃｏ］≧−４×［Ｎｉ］＋１３６、及び［Ｃｏ］≦−４×［Ｎｉ］＋１３８とする。
Ａｌは、脱酸の目的で添加される。また、介在物の形成を抑え、鋳造欠陥を少なく、さらに低い熱膨張係数を得るために、含有量は０〜０．２０％とする。
Ｍｇは、不純物として含有されるＳと結合することでＳの粒界偏析を抑え、熱間延性を向上させる機能を有する。Ｍｇの含有量は０〜０．１００％とする。
Ｃａは、Ｓと結びついて硫化物をつくり、熱間加工性の改善や常温の延性改善に役立つ。Ｃａの含有量は０〜０．１００％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の含有量は、それぞれ０〜０．１００％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。
以上の化学成分を有する合金を、鋳造により製造することにより、低温でも安定な低熱膨張合金を得ることができる。本発明の低熱膨張合金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。製造された鋳造合金を直接切削加工等で加工し、あるいは鍛造後加工し、鋼部品を得ることができる。
本発明の低熱膨張合金の低温安定性は、合金を低温雰囲気に保持し、マルテンサイト変態組織の有無を観察することにより確認できる。たとえば、試験片を液体窒素を用いて−１２０℃の雰囲気中に１５分間保持し、その後、光学顕微鏡でマルテンサイト変態組織の有無を観察する方法を用いることができる。
さらに、熱膨張係数をより低くするために、拡散処理又は溶体化処理を施してもよい。拡散処理は鋳造物であれば鋳造後、鍛造物であれば鍛造加熱前あるいは鍛造の中間段階で行う。溶体化処理は加工前、すなわち、鋳造後直接、あるいは、鋳造、鍛造後に施す。拡散処理は、鋳造物を１１００〜１３００℃で１０〜５０ｈｒ保持し、その後空冷もしくは炉冷する。溶体化処理は、合金を好ましくは６００〜１０００℃より好ましくは６５０〜８５０℃に加熱して０．５〜５ｈｒ保持した後急冷する。冷却速度は１０℃／ｍｉｎ以上が好ましく、１００℃／ｍｉｎ以上がより好ましい。溶体化により、鋳造時あるいは鍛造時に析出した析出物が固溶して、延性、靭性が向上する。
本発明の成分組成を有する低熱膨張合金は、０〜３０℃における平均熱膨張係数が０．５×１０-6／℃以下となる低い熱膨張係数有し、−１２０℃でマルテンサイト変態が生じない、すなわち、マルテンサイト変態温度が−１２０℃以下となる。本発明によれば、さらに、０〜３０℃における平均熱膨張係数が０．１×１０-6／℃以下となる低熱膨張合金を得ることもできる。
溶体化処理の後に、必要に応じて、３００〜３５０℃で１〜５ｈｒ保持し、その後空冷する応力除去焼きなまし等の公知の熱処理を施してもよい。
高周波溶解炉を用いて、表１に示す成分組成となるように調整したＹブロックとインゴットを溶製した。その後、Ｙブロックは拡散処理、溶体化処理を行い鋳造物として、インゴットは拡散処理、熱間鍛造、溶体化処理を行い鍛造物として、それぞれマルテンサイト変態組織確認用試験片、及び熱膨張係数測定試験片を採取した。
マルテンサイト変態組織の確認は、試験片を液体窒素を用いて、−１００℃、−１２０℃の雰囲気中に１５分間保持し、その後、光学顕微鏡でマルテンサイト変態組織の有無を観察することにより行った。結果を表１に示す。
本発明の低熱膨張合金は、熱膨張係数が低く、さらに−１２０℃でもマルテンサイト変態組織が発生しなかった。
これに対して比較例では、−１００℃でマルテンサイト変態組織が発生するか、熱膨張係数が高くなるか、少なくとも一方で目標の特性が得られなかった。
Claims (2)
- 質量％で、
Ｃｏ：２．５０〜３．５２％
を含有し、かつ、Ｎｉの含有量を［Ｎｉ］（質量％）、Ｃｏの含有量を［Ｃｏ］（質量％）としたとき、
［Ｃｏ］≧−４×［Ｎｉ］＋１３６、及び
［Ｃｏ］≦−４×［Ｎｉ］＋１３９
を満たすＮｉを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
０〜３０℃における平均熱膨張係数が０．５×１０-6／℃以下であり、
マルテンサイト変態温度が−１２０℃以下である
ことを特徴とする低熱膨張合金。 - 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃ ：０〜０．０４０％、
Ｓｉ：０〜０．３０％、
Ｍｎ：０〜０．５０％、
Ａｌ：０〜０．２０％、
Ｍｇ：０〜０．１００％、
Ｃａ：０〜０．１００％、
Ｃｅ：０〜０．１００％、及び
Ｌａ：０〜０．１００％
の１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の低熱膨張合金。
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