JPH09316603A - 高強度低熱膨張合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強度が高く、引張り強さにして１５０ｋｇｆ
／ｍｍ² 以上を有し、かつ、捻回特性に優れ、さらに、
低い熱膨張係数を有する高強度低熱膨張合金を提供す
る。 【解決手段】 本発明に従う高強度低熱膨張合金は、重
量比で、Ｎｉ ３２〜４５％、Ｃ ０．３５〜０．５０
％、Ｍｏ ０．５〜３．０％、Ｖ ０．０２〜０．２％
を含み、Ｃの含有率をｘ％、Ｍｏの含有率をｙ％とした
とき、ｘとｙが、６−１５ｘ＜ｙ＜１１−１８ｘの関係
を満たし、残部が実質的にＦｅからなる。好ましくは、
Ｓｉ，Ｍｎ，ＣｒおよびＣｕからなる群より選択された
少なくとも一種類を２％以下含む。また、好ましくは、
Ｎｉ含有率の１０％以下をＣｏで置換される。図１は、
本発明に従う高強度低熱膨張合金における、ＣおよびＭ
ｏの含有率の範囲を示している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用中、昇温の可
能性のある精密機械部品や、低弛度耐熱送電線用芯線等
に使用される高強度低熱膨張合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、架空送電線には鋼芯アルミニ
ウム撚線（ＡＣＳＲ線）が使用されているが、近年の電
力需要の増大のために、同一サイズのＡＣＳＲ線と比較
して電線の送電容量を２倍以上とすることが可能な低弛
度耐熱送電線が、一部実用化されている。この低弛度耐
熱送電線は、線膨張係数が鋼線の１／３以下である高強
度低熱膨張合金を芯線に用いて、架線後の通電時におけ
る熱膨張による電線の垂れ下がり、つまり弛度を抑え、
外層線には、高温での使用に耐え得る耐熱アルミニウム
を用いることで増容量化を可能としたものである。高強
度低熱膨張合金としては、特公昭５６−４５９９０号公
報や特公昭５７−１７９４２号公報等に種々のＦｅ−Ｎ
ｉ系合金が提案されている。これらの高強度低熱膨張合
金は、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ等を強化用元素として添加したも
のであり、引張り強さは１００〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ²
程度であった。

【０００３】一方、ＡＣＳＲ線の芯線として用いられる
鋼線の引張り強さは１５０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上である。
したがって、同一サイズの電線を製作した場合、高強度
低熱膨張合金を芯線に用いた低弛度耐熱送電線は、通常
のＡＣＳＲ線を用いた電線よりも引張り荷重が小さくな
る。よって、高強度低熱膨張合金を芯線に用いた低弛度
耐熱送電線を使用する場合、電線の最大使用張力を既設
線の最大使用張力よりも小さくする必要がある。ところ
が、最大使用張力を小さくすると弛度特性が悪化する。
そのため、低弛度耐熱送電線は、その使用時に、本来の
特徴である低弛度特性を発揮することができなくなる。

【０００４】したがって、近年、熱膨張係数（線膨張係
数）が低く、かつ、鋼線なみの強度を有する高強度低熱
膨張合金が要求されており、そのための種々の試みがな
されてきている。たとえば、特開平３−１１５５４３号
公報では、合金の強化元素として、ＣおよびＭｏに着目
し、これらの含有率を上げ、また合金中のＮｉ含有率を
調節することにより、高強度低熱膨張合金において、熱
膨張係数を増大させず、強度を上げる旨が開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この合金にお
いては、３０〜２３０℃の平均熱膨張係数は３．２×１
０^-4／℃以下を確保できるが、強度は１２５ｋｇｆ／ｍ
ｍ² 程度である上に、靱性が低下し、所望の捻回特性が
得られないことが予想された。

【０００６】ここで、捻回特性について説明する。低弛
度耐熱送電線の芯線は、通常、複数本を撚合せた撚線か
ら構成される。捻回特性とは、このような撚線を製造す
る時の性能を示す指標であり、素線の一端を固定し、他
端を捩じる捻回試験で破断に到るまでの回数（捻回値）
によって評価される。通常、線径の１００倍の長さの試
験片（掴み間隔）で１６回以上が要求される。

【０００７】このように、強化元素の過度の添加のみに
よって高強度化を図ろうとすると、低弛度耐熱送電線の
靱性が劣化し、前述の捻回特性を満足させることができ
なくなるという問題があった。

【０００８】そこで、本発明は、従来のＦｅ−Ｎｉ系高
強度低熱膨張合金よりも高い強度、つまり、通常のＡＣ
ＳＲ線の鋼線なみの強度である１５０ｋｇｆ／ｍｍ² 以
上の引張り強さを有し、かつ、捻回特性に優れ、さらに
低い熱膨張係数を有する高強度低熱膨張合金を提供する
ことを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に従う高強度低熱
膨張合金は、重量比で、Ｎｉ ３２〜４５％、Ｃ ０．
３５〜０．５０％、Ｍｏ ０．５〜３．０％、Ｖ ０．
０２〜０．２％を含み、Ｃ含有率をｘ％、Ｍｏ含有率を
ｙ％としたとき、ｘとｙが、６−１５ｘ＜ｙ＜１１−１
８ｘの関係を満たし、残部が実質的にＦｅからなること
を特徴としている。

【００１０】本発明において、Ｎｉを３２〜４５％に規
定したのは、線膨張係数が大きくなるのを防ぐためであ
る。詳しくは、Ｆｅ−Ｎｉ系合金においては、Ｎｉ含有
率が３６％近傍で最も線膨張係数が小さくなり、これよ
りもＮｉ含有率が高くなると、線膨張係数は大きくな
る。そのため、Ｎｉ含有率が本発明において規定する範
囲よりも高くなると、線膨張係数が著しく増加してしま
うためである。また、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（特に３０％Ｎ
ｉ以上）においては、強磁性体と常磁性体の遷移温度で
あるキュリー点は、Ｎｉ含有率が高くなるに従って高く
なる傾向があるが（たとえば、３２％Ｎｉで１８０℃程
度、４２％Ｎｉで３８０℃程度）、一方で、Ｆｅ−Ｎｉ
系合金においては、強磁性体である温度領域においての
み低い熱膨張係数が得られ、常磁性体となる温度領域で
は低い熱膨張係数は得られなくなる。したがって、Ｎｉ
含有率が本発明において規定する範囲より低くなると、
合金のキュリー点が低下し、高温側（たとえば１００〜
２４０℃）の線膨張係数が著しく大きくなってしまうた
めである。

【００１１】本発明において、Ｃを０．３５〜０．５０
％に規定したのは、Ｃはその溶製工程で含まれる量が多
いほど強度を上げるのに寄与するが、０．３５％未満で
はこの効果が十分に得られず、０．５０％を超えると熱
膨張係数が増加し、かつ靱性が大きく劣化してしまうか
らである。

【００１２】Ｍｏを０．５〜３．０％に規定したのは、
ＭｏはＣと複合添加すると、炭化物形成によりＦｅ−Ｎ
ｉ系合金を強化する効果があるが、０．５％未満ではそ
の効果がなく、３．０％を超えると靱性が劣化し捻回特
性が劣化してしまうからである。

【００１３】Ｖを０．０２〜０．２％に規定したのは、
ＶはＣと微細炭化物を形成して合金の靱性を向上させる
効果があるが、０．０５％未満ではその効果がなく、
０．２％を超えると結晶粒界に炭化物が析出し、この粒
界炭化物によって靱性（捻回特性）が劣化してしまうか
らである。なお、この場合、特に、合金の製造工程にお
ける皮剥ぎ後の熱処理によって、粒界炭化物が増大する
原因を招く。

【００１４】Ｃの含有率をｘ％、Ｍｏの含有率をｙ％と
したとき、ｘとｙが、６−１５ｘ＜ｙ＜１１−１８ｘの
関係を満たすよう、規定しているが、ｘおよびｙをこの
ような範囲に規定したのは、前式が満たされない場合で
あって、ｙ＜６−１５ｘの場合は引張り強さが低下し、
ｙ＞１１−１８ｘの場合は熱膨張係数が増加してしまう
からである。図１に、前述のＣおよびＭｏの含有率なら
びに前式から規定される、本発明において規定するＣお
よびＭｏの含有率の範囲を示す。なお、図１では、斜線
で示す部分が、この範囲に該当する。

【００１５】また、本発明に従った高強度低熱膨張合金
において、Ｓｉ，Ｍｎ，ＣｒおよびＣｕからなる群より
選択された少なくとも一種類が、２％以下含まれること
が好ましい。このように規定したのは、これらの元素の
添加は脱酸や脱硫の効果を有し、これらの添加により鋳
塊を健全に（割れ等が鋳造の際に発生しないように）で
きるが、２％を超える過度の添加は、線膨張係数の増大
や靭性の劣化を引き起こすためである。

【００１６】また、本発明に従った高強度低熱膨張合金
においてＮｉ含有率の１０％以下がＣｏで置換されるこ
とが好ましい。このように規定したのは、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金やＮｉ地金中においては不可避的不純物としてＣｏ
が０．１％以上含まれることが多く、適度にＮｉと置換
して添加しても線膨張係数をはじめとする特性に変化は
ないが、過度の添加はコスト増に繋がり、さらに、線膨
張係数の増大を引き起こすためである。

【００１７】

【実施例】

（実施例）以下、本発明に従った高強度低熱膨張合金
の線材の製造について、実施例により具体的に説明す
る。

【００１８】表１に示すように、まず、試料Ｎｏ．１〜
８に示した組成の原料を、溶解し、外径６０ｍｍの金型
に鋳造し、その鋳造材を、１１５０℃、２時間加熱後の
熱間圧延により外径９．５ｍｍの荒引き線とした。

【００１９】この荒引き線を、１１００℃で１時間保持
した後、水冷することにより、溶体化処理を施し、外径
７．０ｍｍまで伸線加工した。この外径７．０ｍｍの線
に、４５０℃、４時間の熱処理を施した後、皮剥ぎ（表
面層を除去すること）を行なって、外径６．２ｍｍの線
とした。その後、さらに、５００℃、４時間の熱処理を
施し、外径３．０ｍｍまでの伸線加工を施して、高強度
低熱膨張合金の線材を作製した。

【００２０】なお、上述の溶体化処理は、直前の熱間圧
延において同様の効果が得られる場合は、省略しても構
わない。また、外径７．０ｍｍの線の熱処理（皮剥ぎ
前）は、皮剥ぎのために行なうものであるため、そのと
きの線材の状態によって、温度や時間の条件を変更もし
くは、その熱処理自体を省略しても構わない。

【００２１】さらに、上述の各工程は、同様の作用が得
られる他の工程で置換されても構わないが、皮剥ぎ後の
熱処理については、４００〜７５０℃、０．５〜２０時
間の条件で行なわれることが好ましい。４００℃未満で
は、伸び、絞りなどの靱性が得られず、捻回特性が劣化
してしまい、７５０℃を超えると、粒界炭化物量が多く
なり、捻回特性が劣化するためである。また、時間につ
いては、０．５時間未満では熱処理の効果がなく、２０
時間を超えると得られる合金の特性がそれ以上大きく変
化しないためである。また、最後の伸線加工において
は、外径が２．５〜３．８ｍｍになるまで伸線すること
が好ましい。これは、溶体化処理（熱間圧延上がり）か
らの加工度としては、６０〜９６％に相当するが、加工
度が６０％未満では十分な強度が得られない場合があ
り、９６％を超えると靱性が劣化し、十分な捻回特性が
得られないためである。

【００２２】（比較例）表１の試料Ｎｏ．９〜１８に
示した組成の原料を用いて、実施例と同様の工程によ
り、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。

【００２３】（合金の特性）表１に、実施例および比
較例に従った高強度低熱膨張合金の線材の各特性を示
す。また、従来例の高強度低熱膨張合金の線材について
も、組成および各特性を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から、本発明の請求項１に従う合金の
線材は、いずれもが引張り強さが１５０ｋｇｆ／ｍｍ²
以上の値を有していることがわかる。また、捻回値につ
いては、通常１６回以上が要求されるが、本発明に従う
合金の線材はいすれもが２０回以上という優れた値を有
していることがわかる。また、線膨張係数に関しては、
室温〜１００℃については２．０〜２．８×１０^-6／
℃、１００〜２４０℃については２．９〜３．６×１０
^-6／℃という優れた値を有することがわかる。

【００２６】また、表１から、本発明の請求項１に従う
合金Ｎｏ．１〜８と比較して、Ｎｉ含有率が本発明の範
囲よりも低い比較例Ｎｏ．１１は、線膨張係数が高くな
っていることがわかる。また、Ｎｉ含有率が本発明の請
求項１に規定する範囲よりも高い比較例Ｎｏ．１２も、
本発明に従う合金Ｎｏ．１〜８と比較して線膨張係数が
高くなっていることがわかる。

【００２７】また、表１から、本発明の請求項１に従う
合金Ｎｏ．１〜８と比較して、Ｃ含有率が本発明の請求
項１に規定する範囲よりも低い従来例Ｎｏ．１９および
比較例Ｎｏ．１３は、引張り強さが低くなっていること
がわかる。また、Ｃ含有率が本発明の請求項１に規定す
る範囲よりも高い比較例Ｎｏ．１４は、Ｎｏ．１〜８と
比較して、捻回値が２０回に届かない低い値となり、線
膨張係数が高くなっている。

【００２８】また、表１から、Ｍｏ含有率が本発明の請
求項１に規定する範囲よりも低い比較例Ｎｏ．１５は、
Ｎｏ．１〜８と比較して、引張り強さが低くなっている
ことがわかる。また、Ｍｏ含有率が本発明の請求項１に
規定する範囲を超えた比較例Ｎｏ．１６は、Ｎｏ．１〜
８と比較して、捻回値が２０回に届かない低い値となっ
ていることがわかる。

【００２９】また、表１から、Ｖ含有率が本発明の請求
項１に規定する範囲よりも低い比較例Ｎｏ．１７は、Ｎ
ｏ．１〜８と比較して、捻回値が２０回に届かない低い
値となっていることがわかる。また、Ｖ含有率が本発明
の請求項１に規定する範囲を超えている比較例Ｎｏ．１
８も、Ｎｏ．１〜８と比較して、捻回値が低くなってい
ることがわかる。

【００３０】さらに、Ｃの含有率をｘ％、Ｍｏの含有率
をｙ％とすると、Ｎｏ．１〜８は、６−１５ｘ＜ｙ＜１
１−１８ｘの関係を満たす。しかし、前式の関係を満た
さず、ｙ＞１１−１８ｘとなるＮｏ．９は、線膨張係数
がＮｏ．１〜８と比較して若干大きくなっていることが
わかる。また、前式の関係を満たさず、ｙ＜６−１５ｘ
となるＮｏ．１０は、引張り強さがＮｏ．１〜８と比較
して小さくなっていることがわかる。

【００３１】（実施例）次に、本発明の請求項３およ
び請求項４に規定するＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＣｕまたはＣ
ｏの含有量について考察を行なうため、表２の試料Ｎ
ｏ．２０〜２３に示した組成の原料を用いて、実施例１
と同様の工程により、高強度低熱膨張合金の線材を作製
した。

【００３２】（比較例）表２の試料Ｎｏ．２４〜２５
に示した組成の原料を用いて、実施例１と同様の工程に
より、高強度低熱膨張合金の線材を作製した。

【００３３】（合金の特性）表２に、実施例および比
較例に従った高強度低熱膨張合金の線材の各特性を示
す。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から、本発明の請求項２または３に従
う合金の線材は、いずれもが引張り強さが１５０ｋｇｆ
／ｍｍ² 以上の、または、１５０ｋｇｆ／ｍｍ² に近い
値を有していることがわかる。また、捻回値について
は、いずれもが２０回以上という優れた値を有している
ことがわかる。また、熱膨張係数に関しては、室温〜１
００℃については２．４〜２．８×１０^-6／℃、１００
〜２４０℃については３．３〜３．６×１０^-6／℃とい
う優れた値を有することがわかる。

【００３６】また、表２から、本発明の請求項２に従う
合金Ｎｏ．２０およびＮｏ．２１と比較して、Ｓｉ，Ｍ
ｎ，ＣｒおよびＣｕからなる群より選択された少なくと
も一種類が２％を超えて含まれるＮｏ．２４は、線膨張
係数が、室温〜１００℃、１００〜２４０℃のいずれに
関しても高くなっていることがわかる。

【００３７】また、表２から、本発明の請求項３に従う
合金Ｎｏ．２２およびＮｏ．２３と比較して、Ｎｉ含有
率が１０％を超えてＣｏで置換されているＮｏ．２５
は、線膨張係数が、室温〜１００℃、１００〜２４０℃
のいずれに関しても高くなっていることがわかる。

【００３８】今回開示された実施例はすべての点で例示
であって、制限的なものではないと考えられるべきであ
る。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００３９】以上説明したように、本発明の請求項１に
従う高強度低熱膨張合金は、強度が高く、引張り強さに
して１５０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上を有し、かつ線膨張係数
が低く、かつ、優れた捻回特性を有している。さらに、
本発明の請求項２に従えば、線膨張係数の低い高強度低
熱膨張合金が得られやすくなり、また、本発明の請求項
３に従えば、線膨張係数の低い高強度低熱膨張合金がよ
り得られやすくなる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
に従う高強度低熱膨張合金は、強度が高く、引張り強さ
にして１５０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上を有し、かつ、線膨張
係数が低く、かつ、捻回特性に優れている。さらに、本
発明の請求項２に従えば、強度が高く、線膨張係数の低
い高強度低熱膨張合金が、より得られやすくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う高強度低熱膨張合金における、Ｃ
およびＭｏの含有率の範囲を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 貴伸 愛知県岡崎市板屋町216−１ (72)発明者 矢萩 慎一郎 愛知県大府市江端町２−72

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、Ｎｉ ３２〜４５％、Ｃ
   ０．３５〜０．５０％、Ｍｏ ０．５〜３．０％、Ｖ
   ０．０２〜０．２％を含み、Ｃ含有率をｘ％、Ｍｏ含有
   率をｙ％としたとき、ｘとｙとが、６−１５ｘ＜ｙ＜１
   １−１８ｘの関係を満たし、残部は実質的にＦｅからな
   ることを特徴とする高強度低熱膨張合金。
2. 【請求項２】 前記高強度低熱膨張合金が、さらに、Ｓ
   ｉ，Ｍｎ，ＣｒおよびＣｕからなる群より選択された少
   なくとも一種類を２％以下含むことを特徴とする、請求
   項１に記載の高強度低熱膨張合金。
3. 【請求項３】 前記高強度低熱膨張合金におけるＮｉ含
   有率の１０％以下がＣｏで置換されることを特徴とす
   る、請求項１または２に記載の高強度低熱膨張合金。