JPH0627301B2 - セラミック接合用の高強度低熱膨張合金 - Google Patents

セラミック接合用の高強度低熱膨張合金

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JPH0627301B2
JPH0627301B2 JP6991085A JP6991085A JPH0627301B2 JP H0627301 B2 JPH0627301 B2 JP H0627301B2 JP 6991085 A JP6991085 A JP 6991085A JP 6991085 A JP6991085 A JP 6991085A JP H0627301 B2 JPH0627301 B2 JP H0627301B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、セラミックスとの接合用合金として使用す
る高強度低熱膨張合金に関するものである。
最近、炭、窒化けい素やアルミナなどのファインセラミ
ックの活用が各分野で盛んに検討されている。中でもか
かるセラミックスのもつ優れた耐熱性の利用が注目を浴
びているが、セラミックスは一方で機械的、熱的衝撃に
比較的弱いすなわち脆いという欠点をもっているので、
単独での使用には限界があり、通常この欠点を補うべ
く、靭性および耐熱衝撃性に富む金属と接合または複合
化して使用される。
表1に、現在汎用されている代表的なファインセラミッ
クの特性を示す。
同表より明らかなように、セラミックスは一般に熱間で
の強度が高く、また熱膨張係数が低い。従って接合用金
属としても、セラミックスの使用温度のほぼ上限に当る
500℃において約50kgf /mm以上の高い熱間強度と、
0〜 500℃間の平均熱膨張係数が 8.0〜 9.0×10-6/℃
以下程度の低熱膨張性が必要とされるのである。
(従来の技術) 低熱膨張合金としては、従来からFe -36%Niインバ
ー合金やFe -32%Ni -5%Coの組成になるスパー
インバー合金が知られている。この種合金は、冷却過程
で生じる体積収縮を、キュリー点以下での磁気発生に伴
う大きな自発体積磁歪(膨張)によって相殺することに
より、常温付近における熱膨張係数αを、α0に保持
するものである。ただしこれらの合金のキュリー点はい
ずれも 200℃近辺であり、従って 200℃程度までは低熱
膨張性を維持できるが、それ以上の高温になるとαは急
激に大きくなる。
またガラス封着用合金として利用されているFe -29N
i -17Co合金は、0℃から 500℃までの平均熱膨張係
数がα5 00℃= 6.5×10-6/℃と熱膨張に関しては
優れた特性をそなえているが、反面耐熱強度は低く、 5
00℃における引張り強さはせいぜい20kgf /mm程度で
あるため、セラミックスのもつ高温高強度特性を十分に
活かすことはできない。
一方高い熱間強度および耐熱衝撃性をそなえるものとし
ては、鉄基合金やニッケル基合金など多数が開発されて
いる。これらの合金では 500℃における熱間引張り強さ
が50〜 100kgf /mm程度のものが容易に得られるけれ
ども、熱膨張係数が14〜22×10-6/℃と大きいため、セ
ラミックスと接合した場合に両者の熱膨張差によって、
接合部ではく離したり、セラミックスに割れが生じるこ
とがあった。
(発明が解決しようとする問題点) このように従来は、高い熱間強度と低い熱膨張係数を併
せ持つ合金は存在せず、その開発が望まれていた。
この点、Ni系合金にTi,Alを添加してNi(T
i,Al)を時効析出させると、冷,熱間強度が上昇す
ることから、この現象を利用して前記インバータ合金の
高温強度の改善を図ることが考えられたが、インバー合
金にTiやAlを添加すると、キュリー点が急激に低下
すると共にキュリー点以下での熱膨張係数が増大し、さ
らにはマルテンサイト温度も上昇し、いずれにしても0
〜 500℃の温度範囲において適切な熱膨張係数は得られ
なかったのである。
この発明は、上記の実情に鑑みて開発されたもので、高
い熱間強度と低い熱膨張係数という相反する二つの特性
を兼ねそなえ、とくにセラミックスとの接合用合金とし
て有用な高温強度に優れる低熱膨張合金を提案すること
を目的とする。
(問題点を解決するための手段) すなわちこの発明は、C: 0.1wt%(以下単に%で示
す)以下、Si: 0.5%以下、Mn: 0.5%以下、T
i: 0.5〜 3.0%およびAl: 0.2超〜 1.0%を含み、
かつNi:29.0〜50.0%およびCo:11.0〜18.0%を、
Ni+Co:43.0〜51.0%の範囲において含有し、残部
は実質的にFeの組成になり、時効処理後 500℃におけ
る引張り強さが50kgf /mm以上でかつ0〜 500℃間の
平均熱膨張係数が 8.5×10-6/℃以下である高温強度に
優れる低熱膨張合金である。
以下この発明を具体的に説明する。
まずこの発明において、成分組成範囲を上記のとおりに
限定した理由について説明する。
C: 0.1%以下、 Cは、Tiと結合して炭化物を形成し、強度の向上に寄
与するが、多量に含まれると、後述するように時効処理
においてNiと金属間化合物を形成し微細分散して強度
向上に寄与するTiを減少させる結果、かえって熱間強
度の低下を招くので、 0.1%以下の範囲で添加すること
にした。
Si: 0.5%以下、 Siは、溶解時における脱酸剤として有用であるが、含
有量が.5%を超えるとキュリー点が低温側に移行し、熱
膨張係数が大きくなるので、Si含有量は 0.5%以下に
限定した。
Mn: 0.5%以下 MnもSi同様、溶解時における脱酸剤として有効に寄
与するが、含有量が 0.5を超えるとやはり熱膨張係数が
大きくなるので、 0.5%以下に限定した。
Ti: 0.5〜 3.0% Tiは、時効処理によってNiTiの金属間化合物を
微細に析出させ、熱間強度を著しく向上させる有用な元
素である。しかしながら 0.5%未満ではその添加効果に
乏しく、一方 3.0%を超えるとキュリー点が極端に低温
側に移行し、熱膨張係数が大きくなるので、Ti含有量
は 0.5〜 3.0%の範囲に限定した。
Al:0.2超〜1.0 % Alは、Tiと共存させることにより、時効処理時に金
属間化合物Ni(Ti,Al)を析出して熱間強度の
向上に有効に寄与するが、含有量が 0.2%以下ではその
添加効果に乏しく、一方 1.0%を超えるとキュリー点が
低温側に大幅に移行すると共に熱膨張係数が大きくなる
ので、 0.2超〜1.0 %の範囲に限定した。
Ni:29.0〜50.0% Niは後述するCoと共に、熱膨張係数の低減に有効に
寄与するだけでなく、時効処理においてNi(Ti,A
l)の微細な金属間化合物を析出させることによって熱
間強度を向上させる上でも有用な元素であるが、29.0%
に満たないと−40℃以上の温度でマルテンサイト変態を
起こして熱膨張係数を大きくするおそれが大きく、一方
50.0%を超えると自発体積磁歪の減少にともなってやは
り熱膨張係数が大きくなるので、Ni含有量は29.0〜5
0.0%の範囲に限定した。
Co:11.0〜18.0% Coは、キュリー点を高温側に効果的に移行し得る元素
で熱膨張係数に強く関与するが、0〜 500℃の温度範囲
で最小の熱膨張係数が得られるのは11.0〜18.0%の範囲
であるので、Coはこの範囲で添加することにした。
Ni+Co:43.0〜51.0% NiおよびCoは、上述したように高温強度の向上や熱
膨張係数の低減に有効に寄与するが、上記の範囲で添加
したとしても必ずしも良好な結果が得れるというわけで
はなく、熱膨張係数の低減にはNiとCoとの合計量が
重量である。
第1図に、熱膨張係数αおよびキュリー点θに及ぼすN
i+Coの影響について調べた結果を示す。
同図より明らかなように、(Ni+Co)が43.0%に満
たないと、キュリー点θが 300℃以下になるかマルテン
サイト変態を生じ、結果として熱膨張係数αが急激に上
昇するため、0〜 500℃における平均熱膨張係数αは
8.5×10-6/℃より大きくなり、一方51.0%を超えると
0℃からキュリー点( 450℃)までの熱膨張係数αが底
上げされる結果、やはり平均熱膨張係数αは 8.5×10-6
/℃を超えるので、(Ni+Co)は43.0〜51.0%の範
囲に制限することが肝要である。
次にこの発明鋼の製造法について説明する。
この発明鋼は、Ti,Alを高濃度で含有しているの
で、溶解に当っては真空または非酸化性雰囲気中で行う
必要があり、鋳込んだのちは熱間鍛造圧延によって所定
の形状とする。
ついで、1000〜1150℃の温度範囲における均熱を経て水
冷ないしは空冷する溶体化処理を施したのち、 600〜 7
50℃程度の温度に1〜20時間程度保持してから空冷する
時効処理を施してNi(Ti,Al)を析出させ、素材
を硬化させる。
ここに溶体化処理温度を1000〜1150℃としたのは、処理
温度が1000℃に満たないと固溶元素の溶け込みが不足
し、一方1150℃を超えるとマトリックスの結晶が粗大化
して脆くなるからである。また時効処理温度を 600〜 7
50℃としたのは、この温度範囲で熱間強度が最も高くな
るからである。
(作 用) この発明において、高い熱間強度と低い熱膨張係数が得
られるのは、自発体積磁歪による熱膨張係数の低減を十
分に発揮させるに足るNi+Co量を確保した上で、さ
らにNi(Ti,Al)の微細分散析出を図ったことに
よる。
(実施例) 表2に示した各成分組成になる供試鋼(No.1〜11)
を真空誘導溶解炉においてそれぞれ30kgづつ溶解してか
ら、50mmφのインゴットを作成し、ついで熱間鍛造、圧
延を施して12mmφの丸棒とした。その後の熱処理は次の
とおりである。
No.1〜3の適合例およびNo4〜7の比較例につい
ては、1050℃に1時間均熱保持後水冷する溶体化処理を
施したのち、 650℃,5時間の時効処理を行った。
No.8(スーパーインバー合金)およびNo.9(コ
バール)については、 850℃で溶体化処理を行った。
No.10のNi基超耐熱鋼は、1100℃で溶体化処理後、
700℃で5時間の時効処理を行った。
No.11の鉄基耐熱鋼は、 980で油冷後、 720℃で5時
間の時効処理を施した。
かくして得られた各試料のキュリー点、熱膨張係数およ
び熱間引張り強さについて調べた結果を表3に示す。な
お熱膨張係数の測定は、5mmφ×50mmの試片を削り出
して−30℃から 550℃まで測定し、0〜 500℃間の平均
値で示した。また熱間引張り試験は、平均部を6mmφ×
30mmとし、 500℃に15分間保持後に行った。
表3においてNo.4は(Ni+Co)が43.0%以下の
比較例で、溶体化処理および時効処理における室温まで
の冷却途中でマルテンサイト変態を起し、熱間強度には
優れるものの、平均熱膨張係数は10.28 ×10-6/℃と大
きな値を示すと共に、熱膨張曲線はヒステリシス・ルー
プを呈した。
No.5は、(Co+Ni)が51.0%以上の例であり、
キュリー点は 434℃と高温ではあるが、熱膨張係数は
8.71 ×10-6/℃とやや大きな値を示した。
No.6はTiが 3.0%以上の例、またNo.7はNb
が 3.0%以上の例である。両者共に熱間引張り強さは良
好ではあるものの、熱膨張係数は9〜12×10-6/℃と高
い値を示した。
No.8の参考例(スーパーインバー合金)は、 100℃
以下の低温ではα= 0.58 ×10-6/℃と熱膨張係数は極
めて小さかったが、キュリー点は 220℃と低く、キュリ
ー点を超えるとαは急激に大きくなので0〜 500℃間の
平均熱膨張係数は 8.7×10-6/℃とさほど良好な値は得
られなかった。加えて熱間引張り強さは18kgf /mm
極めて低い値しか得られなかった。
No.9のコバールは、熱膨張係数は良好であったが、
熱間引張り強さが22kgf /mmと小さかった。
No.10,11の両耐熱鋼はいずれも、引張り強さは良好
であったが、熱膨張係数は15.1〜17.6×10-6/℃と極め
て高かった。
これに対しこの発明に従い得られたもの(No.1〜3)
はいずれも、平均熱膨張係数は7.03〜8.02×10-6/℃と
小さく、また熱間引張り強さは72.0〜101.0kgf/mm2と高
い値が得られた。
(発明の効果) かくしてこの発明によれば、セラミックスと同程度の低
い熱膨張係数および同等ないしはそれ以上の高い熱間強
度を併せもつ、熱間強度に優れる低熱膨張合金を得るこ
とができ、とくにセラミックス接合用合金としての用途
に供して偉効を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図aおよびbはそれぞれ、熱膨張係数αおよびキュ
リー点θに及ぼす(Ni+Co)量の影響を示したグラ
フである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:0.1 wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.5 wt%以下、 Ti:0.5〜0.3 wt%および Al:0.2超〜1.0 wt% を含み、かつ Ni:29.0〜50.0 wt%および Co:11.0〜18.0 wt% を、Ni+Co:43.0〜51.0 wt% の範囲において含有し、残部は実質的にFeの組成にな
    り、時効処理後 500℃における引張り強さが 50 kgf/mm
    以上でかつ0〜500 ℃間の平均熱膨張係数が8.5×10
    -6/℃以下である、セラミックス接合用の高強度低熱膨
    張合金。
JP6991085A 1985-04-04 1985-04-04 セラミック接合用の高強度低熱膨張合金 Expired - Lifetime JPH0627301B2 (ja)

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