JPH04354848A

JPH04354848A - 高強度高硬度低熱膨張合金

Info

Publication number: JPH04354848A
Application number: JP22815991A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Enomoto; 榎本　新一
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1991-05-30
Publication date: 1992-12-09

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造装置、精
密機械器具、工作機械部品、光学機器等において採用さ
れる高強度、高硬度、低熱膨張合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】温度に対する寸法安定精度が要求される
機器・部品、例えば、半導体製造装置、光学機器、工作
機械部品、精密機械器具、計測器等において採用される
材料として低熱膨張合金の需要が高まっている。

【０００３】従来、低熱膨張合金としては、「インバー
」、「スーパーインバー」、「ＡＳＴＭ−Ａ４３６　　
ＴＹＰＥ　　５」、「ＡＳＴＭ−Ａ４３９　　ＴＹＰＥ
Ｄ−５」あるいは、特許第１３８６６８１号（特公昭６
０−５１５４７号）のオーステナイト系鋳鉄などが知ら
れている。

【０００４】これらの低熱膨張合金の線熱膨張係数（×
１０−６／℃（２０℃〜１００℃））は、前記インバー
が１〜２、スーパーインバーが０〜０．５、ＡＳＴＭ−
Ａ４３６　　ＴＹＰＥ５が５〜６、ＡＳＴＭ−Ａ４３９
　　ＴＹＰＥ　　Ｄ−５が５〜６、特許第１３８６６８
１号の鋳鉄が２〜３である。

【０００５】前記特許第１３８６６８１号（特公昭６０
−５１５４７号）は、炭素０．８〜３．０％、シリコン
１．０〜３．０％、ニッケル３０〜３４％、コバルト４
．０〜６．０％、マンガン２．０％以下、硫黄１．０％
以下、リン１．５％以下、マグネシウム１．０％、残部
は不純物を含む鋳鉄よりなる低膨張のオーステナイト鋳
鉄であって、特に、炭素０．８〜３．０％、シリコン１
．０〜３．０％、ニッケル３０〜３４％およびコバルト
４．０〜６．０％を添加して黒鉛を析出させた鋳鉄につ
いて熱膨張係数を小さくしたものである。

【０００６】ところが、これら従来の低熱膨張材はいず
れもオーステナイト地であるため、その特性として強度
や硬度が鋼や鋳鉄のような鉄系合金に比較すると劣り、
焼入れによる硬化もできないという問題がある。

【０００７】しかし、精密機械の部品等は、しばしば、
低熱膨張性と同時に強度や硬度あるいは比較的良好な熱
伝導性を併せて要求されることが多い。例えば、精密工
作機械のスピンドルやボールネジ等は低熱膨張性を必要
としながら、従来の低熱膨張材は強度や硬度不足のため
に使用し難いという問題がある。

【０００８】また、工作機械の摺動面は耐摩耗性を要求
されるため、使用素材は硬度を要求される。しかし、従
来の低熱膨張材は表面硬化ができないため、どうしても
硬度が必要なときは、他の材料を上記低熱膨張材に機械
的に貼り合わせるか、取り付けるなどの手段をとらざる
得ない。

【０００９】因みに、これら従来の低熱膨張材の性質は
表１の通りである。

【００１０】

【表１】

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一方、鋼や鋳鉄のよう
な鉄系合金は、強度、硬度あるいは熱伝導性は優るが、
熱膨張係数が１１〜１２×１０−６／℃と大きく、前述
のような温度に対する寸法安定精度が要求される機器・
部品、例えば、半導体製造装置、光学機器、工作機械部
品、精密機械器具等にの素材材料としては使用し難い。

【００１２】この発明は、前述のような事情に着目して
なされたもので、その目的とするところは、低熱膨張性
とともに、強度、硬度および比較的良好な熱伝導性を兼
備した低熱膨張合金であって、例えば、精密工作機械の
スピンドルやボールネジ等のように低熱膨張性に加え、
高い強度や硬度を必要とする機器あるいはその部品材料
に好適な合金を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】この発明は、
前記目的を達成するために、重量基準で、炭素０．２〜
３．０％、シリコン２．０％以下、ニッケル２５〜３６
％、コバルト２０％以下、マンガン１．０％以下、マグ
ネシウムまたはカルシウムのうちの１種または２種を０
．５％以下、残部不可避的不純物を含む鉄よりなるオー
ステナイト系合金の素地のオーステナイトの一部をマル
テンサイト変態させたことを特徴とする。

【００１４】すなわち、この発明の合金は、快削性およ
び鋳造性に富みながら、従来のオーステナイ卜系低熱膨
張材に比較して強度、硬度および熱伝導性が優るととも
に、鉄系合金に比較して熱膨張率が大幅に低い。

【００１５】重量基準で炭素０．２〜３．０％、シリコ
ン２．０％以下、ニッケル２５〜３６％、コバルト２０
％以下、マンガン１．０％以下、マグネシウムまたはカ
ルシウムのうちの１種または２種を０．５％以下、残部
不可避的不純物を含む鉄よりなるオーステナイト系合金
は、従来の低熱膨張材に匹敵する低熱膨張性を示し、そ
の熱膨張係数ａは２．５±０．５×１０−６／℃（２０
℃〜１００℃）である。

【００１６】しかし、上記合金は基地組織がオーステナ
イトである限り、前述した従来の低熱膨張材と同様に強
度、硬度、熱伝導性に劣り、その抗張力、伸び、硬度、
熱伝導性は前記のスーパーインバー、ＡＳＴＭ−Ａ４３
６　　ＴＹＰＥ　　５、ＡＳＴＭ−Ａ４３９ＴＹＰＥ　
　Ｄ−５、特許第１３８６６８１号と同程度である。

【００１７】ところが、上記成分範囲の合金はオーステ
ナイトが不安定で、一定温度以下においてはマルテンサ
イト変態を生じ、それにより強度、硬度、熱伝導性が向
上する。もちろん、マルテンサイト変態を生ずることに
より、その変態前に比較して熱膨張係数は上昇する。し
かし、マルテンサイト変態後においても、その熱膨張率
は６．０×１０−６／℃以下で、鉄系合金の熱膨張係数
より十分低い値であり、従来の鉄系合金を使用する場合
よりも、はるかに精度を高度なものにすることができる
。

【００１８】前記成分範囲のオーステナイト系合金は、
ほぼ１０℃前後からマルテンサイト変態が始まり、温度
の低下及びその保持時間によりマルテンサイト変態の量
が多くなる。そして、マルテンサイト変態の量によって
、熱膨張係数、硬度、強度、熱伝導率等が変化する。

【００１９】したがって、前記成分範囲内で合金成分、
ならびに冷却温度およびその保持時間を変化させること
により、マルテンサイト変態の量および深度を調節する
ことができ、それに伴い、強度、硬度、熱伝導率、熱膨
張率を調節し、所望の特性を備えた合金にすることがで
きる。

【００２０】前記成分範囲のオーステナイト系合金の表
面のみを冷却すると合金全体の低熱膨張性を変化させる
ことなく、その表面のみの硬度を高めることができ、さ
らに、冷却温度、当該冷却温度の保持時間を変えて硬化
層の深度を調節することもできる。したがって、精密工
作機械の摺動面等のように表面の硬度を必要とするが、
全体的には低熱膨張性を要求されるものにも、この発明
の合金は対応できる。

【００２１】この発明の合金の成分を前記成分範囲に限
定する理由は、次の通りである。炭素は、素地の強度、
快削性、鋳造性に必要な元素である。炭素はオーステナ
イト基地中に約０．２％まで固溶するため、快削性を導
出する黒鉛を得るには固溶限である０．２％以上が必要
である。しかし、３％を越えると、キャッシュグラファ
イトとなり、鋳造性が著しく損なわれ、それより得られ
る鋳造物もポーラスとなり不適当である。一般的には、
工作機械のベッド等鋳造品として使用する場合は鋳造性
（低融点、溶湯の流動性、引け巣やガスホールが発生し
にくい等）や快削性の面から１〜３％が好ましく、また
ボールネジのように圧延鍛造して製品を作る方が有利な
場合は０．２〜１％程度が好ましい。

【００２２】シリコンは、鋳造性の改善と脱酸効果のた
めに必要であり、また炭素を黒鉛として析出させるため
にも必要である。しかし、２．０％を越えると、熱膨張
係数αが増大するうえ、強度も低下するので２．０％以
下とする。

【００２３】ニッケルは、２５％未満であると熱膨張係
数が増大する。コバルトと組み合わせても同様である。反面、３６％を越えると、コバルトを０％にしても、オ
ーステナイトが安定し、マルテンサイト変態しにくくな
る。

【００２４】前述のように、コバルトを０％とした時、
ニッケルが３６％で熱膨張係数αは最低となるが、オー
ステナイトは安定化する。ニッケルを３６％以下にする
と、液体窒素に長時間浸漬させることにより、マルテン
サイト変態が可能である。また、コバルトが２０％越え
ると、熱膨張係数αが増大し、またマルテンサイト変態
もしにくくなる。

【００２５】マンガンは、強度、鋳造性に影響を及ぼし
、若干程度、好ましくは０．２％位は含有した方が良い
。しかし、１％を越えると熱膨張係数αを増大させるの
で１％以下とする。

【００２６】マグネシウムおよびカルシウムは、脱酸効
果とともに析出黒鉛を球状化して機械的性質を増加させ
るために、いずれか１種または２種を０．５％以下添加
する。硫黄およびリンは、不可避的に混入する元素であ
るが、いずれも０．５％を越えると脆化が著しいので０
．５％以下とする。

【００２７】

【実施例】実施例１重量基準で、下記成分の合金を作った。炭素：　　　　　　　　　　　　　　１．００％シリコ
ン：　　　　　　　　　　１．２０％ニッケル；　　　
　　　　　２８．９７％コバルト：　　　　　　　　　
　５．２９％マンガン：　　　　　　　　　　０．２１
％マグネシウム：　　　　　　０．０２％残部：不可避
的不純物を含む鉄上記成分の合金を電気炉で９００℃に
加熱し、炉冷後ドライアイスを用いて冷却した。そして
、表面層のマルテンサイト変態の状態を調べたところ、
表２の通りであった。

【００２８】

【表２】

【００２９】上記成分の合金を２０Ｋｇ高周波電気炉で
溶解し、Ｃｏ２砂型にてＪＩＳＧ−５００２Ｙ型供試材
Ｂ号を鋳造した。この供試材は図１に示すとおりであり
、その寸法は、ａ＝２５ｍｍ、ｂ＝５５ｍｍ、ｃ＝４０
ｍｍ、ｄ＝１４０ｍｍ、ｅ＝１５０ｍｍである。

【００３０】そして、この供試材の図１の斜線部分を切
り出した試料１、２、３を用意し、試料１は液体窒素に
浸漬して−１９３℃にて３０秒間保持した後の、試料２
は同じく−１９３℃にて６０秒間保持した後の、試料３
はそのまま（液体窒素に浸漬せず）のものにつき、それ
ぞれその機械的性質を調べたところ、表３の通りであつ
た。

【００３１】

【表３】

【００３２】表３からマルテンサイト変態させたもの、
および変態の進んだものは、変態なしのものに比較する
と、強度、硬度、熱伝導率が向上していること、そして
熱膨張係数αは大になるが、それでもなお鉄系合金のそ
れに比較すると係数が約１／２〜１／３であり、十分に
低熱膨張性を有することが分かる。

【００３３】実施例２重量基準で下記成分の合金をつくり、実施例１と同様に
ＪＩＳＧ−５００２Ｙ型供試材Ｂ号を鋳造し、実施例１
と同様に図１の斜線部分を切り出した試料４、５、６を
用意し、次の通り処理し、処理後の性質を調べた。

【００３４】（成分）炭素：　　　　　　　　　　　　　　０．７０％シリコ
ン：　　　　　　　　　　１．２６％ニッケル：　　　
　　　　　３２．３０％コバルト：　　　　　　　　　
　５．３６％マンガン：　　　　　　　　　　０．２５
％マグネシウム：　　　　　　０．０５％リン：　　　
　　　　　　　　　０．０２１％硫黄：　　　　　　　
　　　　　０．００８％残部：鉄

【００３５】（処理）試料４　　液体窒素に浸漬して、−１９３℃にて３０秒
間保持試料５　　液体窒素に浸漬して、−１９３℃にて６０秒
間保持試料６　　処理せず（液体窒素に浸漬せず）調査結果は
表４の通りであった。

【００３６】

【表４】

【００３７】このように、この発明の合金は、従来の低
熱膨張材に比し高強度高硬度であるとともに鉄系合金に
欠けていた低熱膨張性を有する。しかも、冷却温度、当
該冷却温度の保持時間を変えることにより、鉄系合金に
優る低熱膨張性を維持しながら、強度および硬度、ある
いは熱伝導率や硬化層の深度を調節することができる。従って、強度、硬度とともに高精度を要請される各種材
器、部品に利用できる。

【００３８】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、オー
ステナイト系合金のオーステナイト基地の一部をマルテ
ンサイト変態させることにより、低熱膨張性とともに、
強度、硬度および比較的良好な熱伝導性を兼備した低熱
膨張合金を提供することができる。従って、低熱膨張性
、強度、硬度をあわせて要求される機器・部品、例えば
、半導体製造装置、光学機器、工作機械部品、精密機械
部品、測定器、成形用金型、内燃機関部品等の材料とし
て好適する。さらに、鉄系合金に比較して大幅に低い熱
膨張を維持しながら高強度、高硬度、硬化層の深度およ
び熱伝導性を調節することができることから、使用目的
に応じて所望の特性を具えた高精度の製品および部品を
製作できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＪＩＳＧ−５００２Ｙ型供試材を示す図である
。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量基準で、炭素０．２〜３．０％、
シリコン２．０％以下、ニッケル２５〜３６％、コバル
ト２０％以下、マンガン１．０％以下、マグネシウムま
たはカルシウムのうちの１種または２種を０．５％以下
、残部不可避的不純物を含む鉄よりなるオーステナイト
系合金の素地のオーステナイトの一部をマルテンサイト
変態させたことを特徴とする高強度高硬度低熱膨張合金
。
【請求項２】　　不可避的不純物は、硫黄０．５％以下
およびリン０．５％以下を含む請求項１記載の高強度高
硬度低熱膨張合金。