JP6793583B2 - 低熱膨張合金 - Google Patents

Description

本発明は低熱膨張合金に関し、特に、鋳造割れ及び鍛造割れ対策が施され熱間加工性に優れ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。

インバー合金は、Ｆｅ−高Ｎｉ合金であり、オーステナイト単相として凝固するので、不純物元素の偏析が大きく、粗大な柱状晶を形成しやすい。このため、鋳鋼品の割れ、インゴットの鋳造割れ、鍛鋼品インゴットの熱間鍛造割れが発生しやすい。

特許文献１は、シャドウマスク使用温度で１．０×１０^-6／℃以下の低い熱膨張係数を示すＦｅ−Ｎｉ合金を開示している。特許文献１のＦｅ−Ｎｉ合金は、Ｎｉ＋Ｃｏ：３５．０〜３７．０重量％，Ｃｏ：１．００重量％以下，Ｓ：０．００５重量％以下，Ｂ：０．０００５〜０．００４０重量％を含み、残部が実質的にＦｅの組成をもち、脱酸剤として添加されるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌの少なくとも１種の含有量をそれぞれＣ：０．０１重量％以下，Ｓｉ：０．０４重量％以下，Ｍｎ：０．１４重量％以下，Ａｌ：０．００３重量％以下％及びＣ＋Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ａｌの合計含有量が０．０３０〜０．１４０重量％に規制されており、３０〜１００℃の熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃以下であることを特徴とする。

特許文献２は、高強度で、かつ優れた熱間加工性を有していて製造コストが安価な、室温以下での熱膨張係数の低いインバー合金を開示している。特許文献２のインバー合金は、重量割合にてＣ：０．０１５〜０．１０％，Ｓｉ：０．３５％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｐ：０．０１５％以下，Ｓ：０．００１０％以下，Ｃｒ：０．３％以下，Ｎｉ：３５〜３７％，Ｍｏ：０〜０．５％，Ｖ：０〜０．０５％，Ａｌ：０．０１％以下，Ｎｂ：０．１５％以上１．０％未満，Ｔｉ：０．００３％以下，Ｎ：０．００５％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有すると共に残部がＦｅ及び不可避的不純物より成ることを特徴とする。

特許文献３は、熱間加工性のすぐれたＦｅ−Ｎｉ合金を開示している。特許文献３のＦｅ−Ｎｉ合金は、重量でＮｉ：３０〜８０％、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：７．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる合金であって、Ｂ：０．００１〜０．０３％を含有することを特徴とする。

特開２０００−１２９３９９号公報 特開平１０−１７９９７号公報 特開昭６０−１５９１５７号公報

前記特許文献に開示されているインバー合金の熱間加工性は、近年の要求に対しては、まだ十分とはいえない。また、前述のとおり、インバー合金には、鋳鋼品の割れ、インゴットの鋳造割れ、鍛鋼品インゴットの熱間鍛造割れが発生しやすいという問題がある。

本発明は、熱膨張係数がセラミックスや光学ガラスと一体で使用できる範囲であり、さらに熱間加工性に優れ、さらに鋳造割れ対策を施した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、熱膨張係数がセラミックスや光学ガラスと一体で使用できる範囲でありし、さらに熱間加工性に優れ、さらに鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金を得る方法を鋭意検討した。その結果、Ｂを添加した成分組成を適切な範囲に設定し、溶体化処理を施すことにより、熱間加工性に優れ、さらに鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金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。

質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．０〜４．０％、Ｓ：０．０５％以下、Ｎｉ：３２．０〜４２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．２０％、Ｍｇ：０〜０．０５０％、Ｃａ：０〜０．０２０％、Ｃｅ：０〜０．０５％、Ｌａ：０〜０．０５％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、及びＮ：０．００５０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、２５〜１００℃における平均熱膨張係数が２×１０^-6〜８×１０^-6／℃以下であり、１０００℃における引張試験で測定した絞りが５０％以上であることを特徴とする低熱膨張合金。

本発明によれば、低い熱膨張係数を有し、熱間加工性に優れ、さらに鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金を得られるので、熱的に安定でありかつ高強度が望まれる素材等に適用できる。

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、本発明の鋳物の成分組成について説明する。

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、鋼中にＴｉが含有される場合、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０．０４％以下、好ましくは０．０２％以下とする。本発明の低熱膨張合金においては、Ｃは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｓｉは、脱酸材として添加される。Ｓｉ量が０．５％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．５％以下、好ましくは０．３％以下とする。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。Ｓｉは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

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。また、本発明においては、Ｎｉとともに熱膨張係数を調整する元素でもある。この効果を得るためには、Ｍｎ量を１．０％以上含有させる。Ｍｎの含有量が多すぎると、所望の熱膨張係数が得られなくなるので、Ｍｎ量は４．０％以下とする。好ましくは１．５〜３．５％である。

Ｓは不純物として含有される。Ｓが多量に含有されると、熱間加工性が劣化し、さらに鋳造割れが生じやすくなるので、Ｓの含有量は０．０５％以下に制限する必要がある。

Ｎｉは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。本発明の低熱膨張合金はセラミックスや光学ガラスと一体での使用を目的としたものであり、熱膨張係数を所望の範囲に調整するためにＮｉ量は３２〜４２％、好ましくは３３〜４０％、より好ましくは３４〜３８％の範囲とする。

Ａｌは、脱酸の目的で添加される。さらに、ＡｌＮを形成することにより、ＢがＢＮとなるのを抑え、Ｂを固溶Ｂとして粒界に偏析させるために必要な元素である。この効果を得るためにＡｌの含有量を０．０１％以上とする。また、介在物の形成を抑え、鋳造欠陥を少なくするために、含有量は０．２％以下、好ましくは０．１％以下とする。

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。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０．０５％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０〜０．０５％とする。Ｍｇは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

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の含有量が０．０２％を超えると、合金の融点を下げて、逆に熱間加工性を低下させるので、Ｃａの含有量は０〜０．０２％とする。Ｃａは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

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０．０５％を超えると効果が飽和するので、Ｃｅ、Ｌａの含有量は、それぞれ０〜０．０５％とする。Ｃｅ、Ｌａは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｔｉは凝固核を生成させる接種材として添加される。さらに、ＴｉＮを形成することにより、ＢがＢＮとなるのを抑え、Ｂを固溶Ｂとして粒界に偏析させる働きがあるためにこの炭化物、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。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０〜０．０５％とする。Ｔｉは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｂは、固溶Ｂとして粒界に偏析させることにより、熱間加工性を向上させ、さらに鋳造割れを防ぐ効果がある重要な元素である。この効果を得、さらに良好な靭性を得るために、Ｂの含有量は０．００１〜０．０２％、好ましくは０．００２〜０．０１％とする。さらに、含有されるＢのうち、５０％以上が固溶Ｂであることが好ましい。

Ｎは不純物として含有される。Ｎが多量に含有されると、ＢがＢＮを形成し固溶Ｂの量が減少するので、Ｎの含有量は０．００５０％以下に制限する必要がある。

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、０．０２％以下のＰ、Ｏなどが挙げられる。

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、熱間加工性に優れ、さらに鋳造割れ対策を施した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優れた熱間加工性は、１０００℃における引張試験（グリーブル試験）の結果により評価できる。具体的には、本発明の低熱膨張合金は、１０００℃における引張試験で測定された絞りが５０％以上、好ましくは６０％以上、さらに好ましくは７０％以上の特性を有する。

さらに、熱膨張係数をより低くするために、溶体化処理を施してもよい。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。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、２５〜１００℃における平均熱膨張係数が２×１０^-6〜８×１０^-6／℃以下となる低い熱膨張係数を得ることができる。

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。

表１〜２に示す成分組成となるように調整した溶湯を鋳型に注湯し鋳鋼品（Ｙブロックとインゴット）を製造した。

Ｙブロックから、２つのサンプルを採取して１０００℃で歪速度０．０７〜０．０８ｓ^−１の引張試験を行い、平均値を引張強さ、絞りの測定値とした。同様に、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、７５０℃で２ｈｒ保持し、平均冷却速度２００℃／ｍｉｎの溶体化処理、さらに３５０℃で５ｈｒ保持後空冷の応力除去焼きなましを施し、２５〜１００℃の平均熱膨張係数を測定した。

また、インゴットを鋳造した後、鍛練成形比を１５として熱間鍛造を行い、割れの有無で鍛造性を評価し、割れがなかったものを「○」、割れが生じたものを「×」とした。鍛造によって得られた鍛鋼品から、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、７５０℃で２ｈｒ保持し、平均冷却速度２００℃／ｍｉｎの溶体化処理、さらに３５０℃で５ｈｒ保持後空冷の応力除去焼きなましを施し、２５〜１００℃の平均熱膨張係数を測定した。
結果を表１〜３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１０００℃で引張試験において、高い絞りを示した。

これに対して比較例では、熱間加工性、熱膨張係数の少なくとも一方で目標の特性が得られなかった。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０４％以下、
   Ｓｉ：０．５０％以下、
   Ｍｎ：１．０〜４．０％、
   Ｓ ：０．０５％以下、
   Ｎｉ：３２．０〜４２．０％、
   Ａｌ：０．０１〜０．２０％、
   Ｍｇ：０〜０．０５０％、
   Ｃａ：０〜０．０２０％、
   Ｃｅ：０〜０．０５％、
   Ｌａ：０〜０．０５％、
   Ｔｉ：０〜０．０５％、
   Ｂ ：０．００１〜０．０２％、及び
   Ｎ ：０．００５０％以下
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
   ２５〜１００℃における平均熱膨張係数が２×１０^-6〜８×１０^-6／℃以下であり、
   １０００℃における引張試験で測定した絞りが５０％以上である
   ことを特徴とする低熱膨張合金。