JPH0382743A

JPH0382743A - 低熱膨張焼結合金及びその製造方法並びに圧縮装置

Info

Publication number: JPH0382743A
Application number: JP21794589A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kondo; 保夫近藤; Hideyo Kodama; 英世児玉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-08-24
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1991-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: JP2741256B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、低熱膨張焼結合金、特に強度および塑性加工
性に優れた低熱膨張焼結合金およびその製造方法、低熱
膨張部材の製造方法、圧縮装置に関する。

〔従来の技術〕

最近の工業技術の進歩に伴い、超精密加工の必要性が増
大し、それに伴い、精度維持上、加工機械の熱変形の防
止が重要な問題となり、種々の対策がとられるようにな
った。低熱膨張材料の適用もその一つの手段である。

低熱膨張材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ二元合金あるいはＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ三元合金のインバーが知られているが、
欠点として機械加工性、鋳造性等が極めて悪いことがあ
げられる。このような問題点を解決するために、例えば
特公昭６０−５１５４７号公報、特開昭６２−６３６４
８号公報に記載のように、低熱膨張鋳鉄が提案されてい
る。この低熱膨張鋳鉄のミクロ組織を第１０図に示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の低熱膨張鋳鉄は、第１０図に示すように、マ
トリックス中に黒鉛が晶出しているため良好な機械加工
性および鋳造性を有するが、その黒鉛の粒径が５０〜６
０μｍと大きいものであるため、強度が低く、高荷重の
かかる機械部品に適用できない、また鍛造などの塑性加
工が困難なため、製品の形状付与は鋳造あるいは機械加
工によらざるを得ない、等の問題があった。

本発明の目的は、低熱膨張性を保持しつつ、強度および
塑性加工性に優れた低熱膨張焼結合金およびその製造方
法、低熱膨張部材の製造方法、圧縮装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明について述べる前に、本発明を完成するに至った
経緯について説明する。本発明者らは、強度および塑性
加工性を向上させるためにはマトリックス中の黒鉛を微
細にすることが有効であることに着目し、黒鉛の微細化
を図る方法として、［鉄溶湯を急冷凝固して黒鉛の生成
を抑制し、非平衡相としてセメンタイトを微細に生成さ
せた後、黒鉛化処理を行うことが有効であるとの考えに
至った。

その結果の一例について述べる。第５図及び第６図に５
８％Ｆｅ−２，０％Ｃ−３７％Ｎｉ−１％５ｉ−１％Ｍ
ｎよりなる低熱膨張焼結合金をガスアトマイズした粉末
のミクロ組織を示す。第５図はアトマイズまま、第６図
は９００℃Ｘ１ｈ（７）熱処理後のミクロ組織である。

図から明らかなように、急冷凝固によって合金中の炭素
は微細なセメンタイトとして析出するが、それは不安定
であるために、加熱することによって簡単に微細な黒鉛
に変態することがわかる。

急冷凝固による黒鉛の微細化は、水またはガスアトマイ
ズ粉を金属基体表面に溶射後に、セメンタイトを黒鉛化
する熱処理を施すことによっても遠戚される。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであ
る。すなわち、本発明に係る低熱膨張焼結合金は、重量
％でＣは０．５〜２．４％、Ｓｉは１％以下、Ｍｎは１
％以下、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｃｏは３２〜４６％、残部はＦ
ｅを有するオーステナイト鋼からなり、マトリックス中
に粒径１０μｍ以下の黒鉛が分散した組織を有するもの
である。

また、本発明に係る低熱膨張焼結合金は、重量％でＳｉ
は１％以下、Ｍｎは１％以下、Ｎｉ又はＮｉ十Ｇｏは３
２〜４６％、残部はＦｅ、Ｃおよび不可避的不純物から
なり、マトリックス中に粒径１０μｍ以下で且つ面積率
が２〜１０％の範囲で黒鉛が分散した組織を有するもの
である。本発明の低膨張焼結合金の２０〜１００℃にお
ける熱膨張係数は３．５Ｘ１０−″／℃以下である。

本発明に係る低熱膨張焼結合金の製造方法は。

重量％でＣは０．５〜２．４％、Ｓｉは１％以下、Ｍｎ
は１％以下、Ｎｉ又はＮ　ｉ　＋　Ｃｏは３２〜４６％
、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる混合物を溶
湯にする工程と、その溶湯をアトマイズしてオーステナ
イト＋セメンタイト組織からなる粉末にする工程と、そ
の粉末を熱間静水圧加圧して前記セメンタイトの黒鉛化
を図りマトリックス中に粒径１０μｍ以下の黒鉛を分散
させる工程と、を含むものである。

また、本発明に係る低熱膨張焼結合金の製造方法は、重
量％でＳｉは１％以下、Ｍｎは１％以下、Ｎｉ又はＮｉ
＋Ｃｏは３２〜４６％、残部はＦｅ。

Ｃおよび不可避的不純物からなる混合物を溶湯にする工
程と、その溶湯をアトマイズしてオーステナイト＋セメ
ンタイト組織からなる粉末にする工程と、その粉末を熱
間静水圧加圧して前記セメンタイトの黒鉛化を図りマト
リックス中に粒径１０μｍ以下で且つ面積率が２〜１０
％の範囲で黒鉛を分散させる工程と、を含むものである
。上記の低熱膨張焼結合金に熱間塑性加工を施すことに
より後述するスクリューロータ等の各種製品を成形する
ことができる。

次■こ本発明に係る低熱膨張部材の製造方法は、重量％
でＣは０．５〜２．４％、Ｓｉは１％以下。

Ｍｎは１％以下、Ｎｉ又はＮ　ｉ　＋　Ｇ　ｏは３２〜
４６％、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる混合
物を溶湯にする工程と、その溶湯をアトマイズしてオー
ステナイト＋セメンタイト組織からなる粉末にする工程
と、その粉末を金属基体表面に溶射後、熱処理して前記
セメンタイトの黒鉛化を図りマトリックス中に粒径１０
μｍ以下の黒鉛を分散させる工程と、を含むものである
。

また、本発明に係る低熱膨張部材の製造方法は。

重量％でＳｉは１％以下、Ｍｎは工％以下、Ｎｉ又はＮ
ｉ十Ｃｏは３２〜４６％、残部はＦｅ、Ｃおよび不可避
的不純物からなる混合物を溶湯にする工程と、その溶湯
をアトマイズしてオーステナイト＋セメンタイト組織か
らなる粉末にする工程と、その粉末を金属基体表面に溶
射後、熱処理して前記セメンタイトの黒鉛化を図りマト
リックス中に粒径１０μｍ以下で且つ面積率が２〜１０
％の範囲で黒鉛を分散させる工程と、を含むものである
。

本発明に係る圧縮機用のスクリューロータは、少なくと
も歯形部位が前記低熱膨張焼結合金で形成されているも
のである。

本発明に係る圧縮装置は、噛み合ったオス及びメス一対
のスクリューロータの回転によってガスを圧縮する圧縮
装置において、前記スクリューロータは少なくとも歯形
部位は前記低熱膨張焼結合金で形成されているものであ
る。

〔作用〕

本発明に係る合金は１粒径の小さい黒鉛が分散している
ことによって、低熱膨張性を保持しつつ、強度及び塑性
加工性が向上する。

上記組成の限定理由について以下に説明する。

Ｃはマトリックス中に黒鉛を晶出させ、機械加工性を付
与させるために添加されるが、０．５％以下では機械加
工性を劣化させ、２．４％以上では黒鉛量が多くなり熱
膨張係数を増加させるため好ましくない、Ｓｉは脱酸剤
として添加されるが、１％以上含有すると、熱膨張係数
を増加させる。

Ｍｎは脱酸剤および機械的性質を向上させるために添加
されるが、１％以上では熱膨張係数を増加させると共に
機械加工性を悪化させるために好ましくない。ＮｉはＦ
ｅ中へのＣの溶解度を減じて黒鉛化を助長する元素であ
るが、所望する熱膨張係数を得るためには、Ｎｉ量を３
２〜４６％に限定することが好ましい。一方、ＣＯは熱
膨張係数に対してＮｉと等価の効果を有するため、本発
明はＣｏが含有される場合にはＮｉ＋Ｃｏｉで３２〜４
６％と規定される。

本発明の低熱膨張焼結合金において１強度および熱間塑
性加工性の向上は、上記組成のマトリックス中に１０μ
ｍ以下の黒鉛を分散させることによって達成される。又
は粒径１０μｍ以下で且つ面積率が２〜１０％の範囲で
黒鉛を分散させることによって達成される。ここで、面
積率とは任意の単位面積当りに占める黒鉛粒子の総面積
をいう。

本発明の製造方法では、低熱膨張焼結合金急冷粉末中の
セメンタイトの黒鉛化は、熱間静水圧加圧成形時あるい
は溶射後の熱処理によって行われるが、熱間静水圧加圧
温度は、低熱膨張焼結合金の成分に応じて９００〜１２
００℃の範囲で選択される。

一方、従来の低熱膨張鋳鉄では全体の冷却速度が遅いこ
とによって５０〜６０μｍの大きな黒鉛が晶出するため
に、鍛造などの塑性加工が困難であったが、本発明の低
熱膨張焼結合金は黒鉛が１０μｍ以下であるために、塑
性加工してもクラックが発生しない。低熱膨張焼結合金
の成分にもよるが、鍛造比５以上で黒鉛は強度に影響を
及ぼさなくなり、炭素を含有せず、他の主要成分が同量
のものと同等の強度を示すようになる。

次に、本発明の低熱膨張焼結合金を構成するマトリック
ス中の黒鉛の面積率とサイズの規定理由について説明す
る。

黒鉛は機械加工性を確保するために必要であるが、面積
率で１０％以上では、低熱膨張性および強度を損なうの
で好ましくなく、２％以下では黒鉛の潤滑効果がなくな
り１機械加工性を劣化するので好ましくない。よって黒
鉛の面積率は２〜１０％と規定する。

一方、黒鉛サイズは強度および塑性加工性に強く作用し
、微細であることが良い。サイズが１０μｍ以上ではそ
の効果が小さくなる。よって黒鉛のサイズは１０μｍ以
下、望ましくは５μｍ以下と規定する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１５５．６％Ｆｅ−２，４％Ｃ−３９％Ｎｉ−１％５ｉ−
１％Ｍ、　ｎよりなる低熱膨張焼結合金のガスアトマイ
ズ粉末を直径１００ａ＋、長さ５００劇の軟鋼パイプ中
に充填後、１００１００Ｏ／ａｌ、１１３０’ＣＸ１ｈ
の条件で熱間静水圧加圧成形した。

第ｉ図及び第２図にそのミクロ組織を示す、第１図は本
発明材、第２図は比較材のミクロ組織を示す。比較材は
、本発明材と同組成で、従来の砂型鋳造材で作られたも
のである。本発明材の組織は、マトリックス中に０．３
〜４μｍの黒鉛が均一分散したオーステナイト組織を有
し、比較材に比べて黒鉛が著しく微細化されていること
がわかる。

第１表に引張試験結果を示すが、本発明材は比較材に比
べて強度、特に耐力が大幅に向上していることがわかる
。また、黒鉛が存在しているために、機械加工性は同等
であった。

その後、本発明材および比較材を１１００℃の温度で鍛
造した。第３図及び第４図に鍛造後のミクロ組織を示す
。第３図は比較材、第４図は本発明材のミクロ組織を示
す。比較材では、黒鉛を起点としてクラックが発生して
いるのに対し、本発明材はクランクが認められず、塑性
加工性に優れていることがわかる。なお、本発明材の２
０〜１００℃における熱膨張係数は比較材と同等で、約
３．５ｘｌＯ−’／’Ｃであった。

実施例２５６．８％Ｆｅ−１，２％Ｃ−３４％Ｎｉ−５％Ｃｏ−
１％５ｉ−１％Ｍｎよりなる低熱膨張焼結合金のガスア
トマイズ粉末を実施例１と同じ条件で熱間静水圧加圧成
形した。実施例１と同様な組織および引張試験結果が得
られた。

実施例３６４％Ｆｅ−３６％Ｎｉよりなる直径５０ｍｍ、長さ５
００ｎｎの金属芯材外周に実施例１と同じ粉末を３０ｎ
ｎ＋厚さまで溶射後、１１００℃の温度で鍛造した。溶
射は５０〜８０Ｔｏｒｒの減圧下、Ａ　ｒ　／　Ｈｚガ
ス雰囲気中で行い、電流および電圧はそれぞれ７００Ａ
、６５Ｖとした。外層部を本発明材とすることによって
、低熱膨張性を保持しつつＦｅ−Ｎｉ合金の欠点である
難加工性を大幅に改善することができた。

実施例４６４％Ｆｅ−３６％Ｎｉよりなる金属芯材外周に６１．
９％Ｆｅ−１，２％Ｃ−３６％Ｎｉ　−０，６％５ｉ−
０，３％Ｍｎよりなる低熱膨張焼結合金のガスアトマイ
ズ粉末を実施例１と同じ条件で熱間静水圧加圧成形し、
１１００℃で鍛造後に第７図及び第８図に示すメス・オ
ススクリューロータ１，２を製作した。７，８は軸を示
す。ロータの寸法はメスロータ外径５３ｍｎ、オスロー
タ外径６３ｍ、長さ８７．５ｎｎである。また、このロ
ータと同寸法の従来の構造用炭素鋼よりなるメス・オス
スクリューロータを製作した。

上記２種類の材質のロータを第９図に示す圧縮装置に組
み込んで圧縮効率の比較を行った。３はカーボンリング
、４は軸受、５はケーシング、６はカバーを示す。吐出
圧カフｋｇｆ／ａ＆、吸込流量１０００ａＪ／ｈとして
圧縮効率を比較した。

本発明の材質からなるロータは、従来ロータに比べて熱
膨張係数が約２分の１であるために、室温の組み立て時
にロータ間のギャップを２分の１にすることができた。

その結果、従来の圧縮装置では圧縮効率が６５％であっ
たが、本発明の圧縮装置は６８％となり、圧縮効率を大
幅に向上させることができた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、粒径の小さい黒鉛
を分散させたことにより、低熱膨張性および機械加工性
を損なうことなく、強度の向上を図ることができるので
、熱変形を嫌い、高荷重のかかる精密機械部品、工作機
械等に広範囲に適用することができる。さらに、塑性加
工が可能なので、製品形状付与の自由度が大幅に向上す
る。

又、本発明に係る製造方法によれば、上記低熱膨張焼結
合金を簡単に作ることができる。

又１本発明に係る圧縮装置によれば圧縮効率を大幅に向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例↓の焼結合金の金属組織を
示す写真、第２図は従来の砂型鋳造材の金属組織を示す
写真、第３図は従来の砂型鋳造材鍛造後の金ａ組織を示
す写真、第４図は本発明の実施例１の焼結合金の鍛造後
の金属ｍ織を示す写真、第５図は本発明材のガスアトマ
イズ粉末の金属組織を示す写真、第６図はその熱処理後
の金属組織を示す写真、第７図及び第８図は本発明のス
クリューロータの構造を示す平面図および縦断面図、第
９＠はロータを圧Ｊ１機ケーシングに組み込んだ圧縮装
置の要部断面図、第１０図は従来の低熱膨張鋳鉄の金属
組織を示す写真である。１・・・オスロータ、２・・・メスロータ、３・・・カ
ーボンリング等、４・・・軸受、５・・・ケーシング、
６カバー、７，８・・・軸。

Claims

【特許請求の範囲】１、重量％で、Ｃ０．５〜２．４％、Ｓｉ１％以下、Ｍ
ｎ１％以下、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｃｏ３２〜４６％、残部Ｆ
ｅを有するオーステナイト鋼からなり、マトリックス中
に粒径１０μｍ以下の黒鉛が分散した組織を有する低熱
膨張焼結合金。２、重量％で、Ｃ０．５〜２．４％、Ｓｉ１％以下、Ｍ
ｎ１％以下、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｃｏ３２〜４６％、残部Ｆ
ｅを有するオーステナイト鋼からなり、マトリックス中
に粒径１０μｍ以下で且つ面積率が２〜１０％ので黒鉛
が分散した組織を有する低熱膨張焼結合金。３、重量％で、Ｃ０．５〜２．４％、Ｓｉ１％以下、Ｍ
ｎ１％以下、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｃｏ３２〜４６％、残部Ｆ
ｅを有する溶湯をアトマイズしてオーステナイト＋セメ
ンタイト組織からなるオーステナイト鋼粉末にする工程
と、その粉末を熱間静水圧加圧して前記セメンタイトの
黒鉛化を図りマトリックス中に粒径１０μｍ以下の黒鉛
を分散させる工程と、を含む低熱膨張焼結合金の製造方
法。４、重量％で、Ｃ０．５〜２．４％、Ｓｉ１％以下、Ｍ
ｎ１％以下、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｃｏ３２〜４６％、残部Ｆ
ｅを有する溶湯をアトマイズしてオーステナイト＋セメ
ンタイト組織からなるオーステナイト鋼粉末にする工程
と、その粉末を熱間静水圧加圧して前記セメンタイトの
黒鉛化を図りマトリックス中に粒径１０μｍ以下で且つ
面積率が２〜１０％の範囲で黒鉛を分散させる工程と、
を含む低熱膨張焼結合金の製造方法。５、重量％で、Ｃ０．５〜２．４％、Ｓｉ１％以下、Ｍ
ｎ１％以下、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｃｏ３２〜４６％、残部Ｆ
ｅを有する溶湯をアトマイズしてオーステナイト＋セメ
ンタイト組織からなるオーステナイト鋼粉末にする工程
と、その粉末を金属基体表面に溶射後、熱処理して前記
セメンタイトの黒鉛化を図りマトリックス中に粒径１０
μｍ以下の黒鉛を分散させる工程と、を含む低熱膨張部
材の製造方法。６、重量％で、Ｓｉ１％以下、Ｍｎ１％以下、Ｎｉ又は
Ｎｉ＋Ｃｏ３２〜４６％、残部Ｆｅを有する溶湯をアト
マイズしてオーステナイト＋セメンタイト組織からなる
オーステナイト鋼粉末にする工程と、その粉末を金属基
体表面に溶射後、熱処理して前記セメンタイトの黒鉛化
を図りマトリックス中に粒径１０μｍ以下で且つ面積率
が２〜１０％の範囲で黒鉛を分散させる工程と、を含む
低熱膨張部材の製造方法。７、圧縮機用のスクリューロータの少なくとも歯形部位
は請求項１又は２記載の低熱膨張焼結合金で形成されて
いる圧縮機用スクリューロータ。８、噛み合ったオス及びメス一対のスクリューロータの
回転によってガスを圧縮する圧縮装置において、前記ス
クリューロータは少なくとも歯形部位は請求項１又は２
記載の低熱膨張焼結合金で形成されていることを特徴と
する圧縮装置。