JP6846806B2 - 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、高温強度に優れた低熱膨張合金に関する。
近年の通信技術の発展に伴い、その送受信設備に使用するパラボラアンテナ等は非常に大型化し低熱膨張性はもとより、その加工精度、すなわち、鋳造性、被削性、振動吸収能および機械的強度などが高いものが要求される。たとえば、アンテナ反射体としては、高い剛性と耐食性を有するカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が一般的に用いられている。
ＣＦＲＰの熱膨張係数は約１．５×１０-6／℃と極めて小さく、成形後においても高い寸法精度を確保するためには、成形用金型を、同程度の熱膨張係数を有する材料で構成する必要がある。そのため、インバー合金や、スーパーインバー合金が成形用金型の材料として選択される。
特許文献１は、成形用金型として、オ−ステナイト基地鉄中に黒鉛組織を有する鋳鉄において、重量％で表示した成分組成として固溶炭素を０．０９％以上０．４３％以下、ケイ素１．０％未満、ニッケル２９％以上３４％以下、コバルト４％以上８％以下を含み残部鉄から成り、０〜２００℃の温度範囲における熱膨張係数が４×１０-6／℃以下である低熱膨張鋳鉄を用いることを開示している。
特許文献２は、ＣＦＲＰ金型を含む超精密機器の部材として、Ｃ：０．１ｗｔ．％以下、Ｓｉ：０．１〜０．４ｗｔ．％、Ｍｎ：０．１５〜０．４ｗｔ．％、Ｔｉ：２超〜４ｗｔ．％、Ａｌ：１ｗｔ．％以下、Ｎｉ：３０．７〜４３．０ｗｔ．％、及び、Ｃｏ：１４ｗｔ．％以下を含み、且つ、前記Ｎｉ及びＣｏの含有率が、下記（１）式を満たし、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる成分組成を有し、そして、−４０℃〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数が、４×１０−６／℃以下で、且つ、ヤング率が、１６１００ｋｇｆ／ｍｍ２以上である、熱的形状安定性及び剛性に優れた合金鋼を使用することを開示している。
３７．７≦Ｎｉ＋０．８×Ｃｏ≦４３ （１）
従来のＣＦＲＰ成形金型に用いられているインバー合金、スーパーインバー合金は、金型の使用温度域である高温での強度が低く、そのため、金型が損傷しやすいという解決すべき課題がある。
本発明は、上記の事情に鑑み、ＣＦＲＰ金型の使用温度域である４００℃でも十分な強度を有し、かつ、２５〜４００℃の範囲で低い熱膨張係数を有する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、低熱膨張合金において、高温での耐力を高める方法について鋭意検討した。その結果、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金に、原子半径の大きい元素を微量添加することにより、高温での耐力を高めることが可能であることを見出した。
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：０．０４０％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：２５．０〜４０．０％、及びＣｏ：１０．０〜２５．０％を含有し、さらに、Ｍｏ：０〜１．００％、Ｖ：０〜２．００％、Ｚｒ：０〜０．５０％、及びＮｂ：０〜１．００％の１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂの含有量［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｚｒ］、［Ｎｂ］が、０．１０％≦［Ｍｏ］＋０．５［Ｖ］＋２［Ｚｒ］＋［Ｎｂ］≦１．００％を満たし,
４００℃における０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、２５〜４００℃における平均熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする低熱膨張合金。
４００℃における０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、２５〜４００℃における平均熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする低熱膨張合金。
本発明によれば、高温域で高い耐力を有し、さらに低い熱膨張係数を有する低熱膨張合金を得られるので、高温下で用いられるＣＦＲＰ金型等の超精密機器の部材に適用できる。
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、本発明の合金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。しかしながら、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０．０２０％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。また、溶湯の流動性を向上させるため、Ｓｉは０．０５％以上含有させる。Ｓｉ量が０．２０％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．１５％以下、好ましくは０．１０％以下とする。
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、Ｍｎ量は０．１０％以上とする。Ｍｎの含有量が１．００％を超えても効果が飽和し、コスト高となるので、Ｍｎ量は１．００％以下、好ましくは０．５％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。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。熱膨張係数を十分に小さくするために、Ｎｉ量は２５．０〜４０．０％、好ましくは２６．０〜３２．０％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１０．０〜２５．０％、好ましくは１５．０〜２０．０％とする。
本発明の低熱膨張合金では、上記の元素に加え、さらに、高温での耐力を高めるために原子半径の大きい元素として、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、及びＮｂの１種または２種以上を添加する。
これらの元素はオーステナイト中に固溶し、固溶強化作用があり、高温での耐力の増加に効果的である。この効果を得るためには、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂの含有量を［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｚｒ］、［Ｎｂ］としたとき、［Ｍｏ］＋０．５［Ｖ］＋２［Ｚｒ］＋［Ｎｂ］が０．１０％以上となるように、これらの元素を添加する。上式は含有しない元素の含有量は０として計算する。
これらの元素は、多量に添加すると熱膨張係数が大きくなるので、［Ｍｏ］＋０．５［Ｖ］＋２［Ｚｒ］＋［Ｎｂ］が１．００％以下となるようにする。
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。具体的には、０．０２％以下のＰ、Ｓ、Ｏ、Ｎなどが挙げられる。
次に、本発明の低熱膨張合金の製造方法について説明する。
はじめに、鋳造により、所望の成分組成を有する鋳造合金を製造する。鋳造に用いる鋳型や、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。
得られた鋳造合金に直接、あるいは、鍛造後に、溶体化処理を施す。溶体化処理は、合金を６００〜１０００℃、好ましくは７５０〜８５０℃に加熱し、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。
さらに、急冷後、応力除去のために焼きなまし処理を施す。焼きなましは、３００〜３５０℃で１〜１．５ｈｒ保持し、その後空冷する。
本発明の低熱膨張合金の優れた高温強度は、４００℃における引張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、４００℃における引張試験で測定された０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、好ましくは２２０ＭＰａ以上、さらに好ましくは２４０ＭＰａ以上の特性を有する。
本発明の低熱膨張合金は、さらに、２５〜４００℃における平均熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／℃以下と、広い温度範囲で低い熱膨張係数を得ることができる。平均熱膨張係数が４．０〜８．０ｐｐｍとなるように成分を調整すると、ＣＦＲＰの熱膨張係数と整合するので、ＣＦＲＰ成形用金型の部材として好適である。
本発明の低熱膨張合金は上記のような高い高温耐力を有するので、ＣＦＲＰ金型等高温で使用される超精密機器の部材に使用しても、損傷を押さえることができる。
高周波溶解炉を用いて、表１〜３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インゴットを製造した。その後、インゴットを鍛練成形比を１５として熱間鍛造を行った。
得られた鍛鋼品から、２つのサンプルを採取して４００℃での引張試験（ＪＩＳ Ｇ ０５６７準拠）を行い、オフセット法により０．２％耐力を測定し、２つの平均値を測定値とした。同様に、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、８００℃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た後、２５〜４００℃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４００℃で引張試験において、高い０．２％耐力を示した。
これに対して比較例では、４００℃における０．２％耐力、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)
- 質量％で、
Ｃ ：０．０４０％以下、
Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｎｉ：２５．０〜４０．０％、及び
Ｃｏ：１０．０〜２５．０％
を含有し、さらに、
Ｍｏ：０〜１．００％、及び
Ｎｂ：０〜１．００％
の１種又は２種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
Ｍｏ、Ｎｂの含有量［Ｍｏ］、［Ｎｂ］が、
０．１０％≦［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］≦１．００％
を満たし、かつ
［Ｍｏ］≧０．４９％、及び
［Ｎｂ］≧０．１４％
の一方又は両方を満たし、
４００℃における０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、
２５〜４００℃における平均熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／℃以下
であることを特徴とする低熱膨張合金。
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