JPS63270443A - 低熱膨張鋳造合金およびその製造方法 - Google Patents

低熱膨張鋳造合金およびその製造方法

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JPS63270443A
JPS63270443A JP10310187A JP10310187A JPS63270443A JP S63270443 A JPS63270443 A JP S63270443A JP 10310187 A JP10310187 A JP 10310187A JP 10310187 A JP10310187 A JP 10310187A JP S63270443 A JPS63270443 A JP S63270443A
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JP
Japan
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thermal expansion
low thermal
alloy
cooling
temperature
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Pending
Application number
JP10310187A
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English (en)
Inventor
Katsuhisa Ishikawa
石川 勝久
Ryoji Yamamoto
良二 山本
Takayuki Tsukahara
塚原 隆行
Motoyuki Ichiyanagi
一柳 素行
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NEC Corp
Proterial Precision Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Precision Ltd
NEC Corp
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/001Heat treatment of ferrous alloys containing Ni

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

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0℃以下のマイナス温度からプラス温度のar
t返し温度サイクル試験後において安定した低熱膨張を
示す必要がある部品の低熱膨張鋳造合金およびその製造
方法に関する。
〔従来の技術〕
従来の低熱膨張合金については、o’c*たは室温から
高温度領域での低熱膨張特性により工作機械、測定8!
器、光学機器において熱変位防止の目的で使用されでい
た。
0℃または室温から100℃程度の温度域で使用される
低熱膨張合金としては、36Ni系インバ一合金と、こ
れを改良した31Ni −5Co系の通称スーパーイン
バー合金が良く知られているが、これらは、そのほとん
どが鍛圧材による供給となっている。
これら強磁性インバー型合金の鋳造材は合金成分の偏析
が存在することと、匍遺歪等により熱膨張特性が安定し
ないことから、平均熱膨張係数:αが2X10””/”
C以下の低熱膨張特性が要求される部品には一般にほと
んど使用されていない。
さらに、0℃以下のマイナス温度で使用される場合には
、II造材は成分の偏析のため組織変態することがあり
量産ベースでの適用は困難であった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
近年、低熱膨張合金の需要が増大するにつれ、その被削
性が注目されるようになってきた。
ところが、Ni を30%以上含有するインバー型合金
は粘くて削りにくい性質があり、特にCoを数%含有す
るスーパーインバー材は代表的な難削材とされている。
鍛圧材から加工削り出しする場合は、生産量に比例して
加工コストも増大するので、最終形状に近い形まで製造
できる鋳造材、中でも□ロストワックス法を代表とする
精密鋳造での製造が検討されているが、前述の成分偏析
等の問題により量産使用されるに至りでいない。
低熱膨張合金は用途が広がるにつれて0℃以下のマイナ
ス温度域で使用される事例も増えてきた1例えば、寒冷
地(−10〜−50℃)で通信機器が使用される場合、
年間を通じてマイナス温度(−50℃)からプラス温度
(40℃)の範囲で熱膨張特性が安定していることが電
気特性上必要である。
従来の0℃、または室温からでなくマイナス温度から安
定している材料でなければ電気特性上使用できないとい
う問題があった。
インバー型材料は、マルテンサイトが発生すれば低熱膨
張合金としての機能を失う、ところが、インバー型材料
の中でも、特にスーパーインバーは、化学成分がマルテ
ンサイトを生じる近傍の組成となっており、匈造材の場
合、僅かの偏析で局部的にマルテンサイトが発生する危
険性を有している。
スーパーインバーの安定な組織はオーステナイト単−相
だが、通常−70℃以下とされているMs点が偏析等に
より鋳造材では0℃近くまで上昇することがある。この
点からも0℃以下のマイナス温度で使用される部品に対
しては債造材の適用が困難であった。
本発明は、これらの問題点を改良し、Niを30%以上
含有する低熱膨張鋳造合金に関し、マイナス温度(−5
0℃)からプラス温度(100℃)の繰り返し温度サイ
クル試験後において安定した熱膨張特性を示す必要があ
る部品に用いられる低熱膨張鋳造合金およびその製造方
法を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者らは、かかる問題点を解決すべく、鋳造材に種
々の熱処理を試みた結果、ある特定の熱処理を施すこと
により、0℃以下の冷却を含む温度サイクルの後にも安
定した低熱膨張特性が得られることを見出だし本発明に
至ったものである。
すなわち本発明は、Ni を重量%で30〜45%含有
するFe−Ni系低熱膨張鋳造合金であって、その組織
がオーステナイト単−相であり、温度範囲一50〜10
0℃の繰り返し温度サイクル試験後において、安定した
熱膨張係数0.7〜1.5 X 10−’/’C(−2
0〜80℃)を示すことを特徴とする低熱膨張鋳造合金
、ならびにその製造方法であって、Ni を重量%で3
0〜45%含有するF e −N i系低熱膨張債造合
金を950〜1250℃の温度範囲で加熱、冷却後、7
00〜950℃の温度範囲で加熱、冷却することを特徴
とする低熱膨張鋳造合金の製造方法、もしくは前記70
0〜950℃の温度範囲での加熱、冷却後に100〜1
30℃の温度範囲で加熱、冷却することを特徴とする特
熱膨張鋳造合金の製造方法、および前記組成を有する合
金を950〜1250℃の温度範囲で加熱、冷却後、1
00〜130℃の温度範囲で加熱、冷却することを特徴
とする低熱膨張鋳造合金の製造方法である。
〔作 用〕
本発明において、まず950〜1250°Cの加熱、冷
却処理を施した理由について説明する。
Ni を30%以上含むインバー型熱膨張合金において
N1成分比は最も管理すべき要件である。
Niは元米他元素に比べ偏析しにくい元素であるが、鋳
造品には少なからず凝固時の樹枝状晶に沿ったNi偏析
が存在する。特に約1000℃の高温鋳型に鋳込むロス
トワックス精密鋳造法においては匍造後の冷却速度が遅
く凝固に長時間を要するので、結晶粒が粗大化しNi偏
析量も大きくなる傾向がある。ミクロ的にNi貧価の個
所があるとその部位のMs点が上昇し、冷却時にそこか
らマルテンサイトが発生する。
製品としては、Ni1価部のNi値でもって低温部が何
度まで使用可能かが決まる。
従りて初期に設定した低温部での低熱膨張特性を期待す
るには高温加熱により偏析Ni を拡散する必要がある
下限温度を950℃に限定したのは950℃未満では良
好な拡散効果が得られないことによる。またNi拡散に
要する温度は高いほど効果があるが、1250℃に上限
を限定したのは、1250℃を越えると高温加熱に要す
る設4INおよびフンニングコストが高価になることと
、合金中に微量に含まれオーステナイト安定化の作用を
有するCが散逸し易くなるためである。
950〜1’ 250℃加熱後の冷却は、次段階の加熱
でキエーリ一点以上に再加熱するので、この段階では急
冷でも徐冷でも良い。
強磁性インバー型合金の低熱膨張特性は強磁性の発生に
伴なう自発体積磁気歪によるものとされているが、この
磁気歪は徐冷した場合より急冷した方が大きい傾向があ
る。
前段階での熱処理、950〜1250℃加熱後の冷却に
より一般に複雑形状をした鋳造品には形状的要因から内
部応力が残留している。
また、難削材であるインバー型今金の後加工をできるだ
け省略する目的から寸法的な鋳造歪は小さいことが望ま
れるが、匍造材である以上凝固時の製品部位間の温度差
や鋳型の拘束により少なからず寸法変形をしており、歪
取作業が必要となる。ところが歪矯正作業を実施すると
それに伴なう残留応力が内部に発生する。
これら前段階における高温加熱からの冷却過程、歪矯正
作業による内部応力の残留は繰り返し熱サイクル試験後
の低熱膨張特性を損なうので応力除去の目的で再加熱す
る必要がある。
さらに、950〜1250℃加熱、冷却により偏析N;
は拡散されるが加熱時間と冷却方法によってはα相が残
る可能性を有している。
950〜1250℃に続く700〜950℃の加熱工程
は内部応力除去と残留α相の排除を目的としたものであ
る。
下限温度を700℃と限定したのは、700℃未満でも
内部応力の除去は可能であるが、偏析によるNif価部
を加熱により、95%以上γ相とするためには700℃
以上の加熱が必要なためである。加熱温度が950℃を
越えると冷却時の熱応力による残留歪が増大し、経年変
化に悪影響をおよぼすので、上限を950℃とした。
冷却速度は、α相析出をおさえ、かつ磁気歪を増大させ
る目的からは急冷が好ましいが、徐冷でも内部応力緩和
の目的は達することができる。
通常、低熱膨張合金は室温付近で使用されるが、用途が
広がるにつれ、安定した低熱膨張特性を示す温度範囲の
拡大が要求されてきた。
0℃以下のマイナス温度域に対しては、化学成分が固定
された場合、前記1段階または1段階および2P!i階
の高温加熱処理により相を安定化することで対応できる
が、100℃近傍の高温域においては、さらに追加の熱
処理が必要となる、はとんどのインバー型合金は低熱膨
張から高熱膨張に移行する熱膨張変移点が100〜20
0℃闇に存在する。
100〜130℃の加熱は、この変移点上もしくは変移
点直下温度に相当し、この温度にいったん保持すること
で磁歪を僅かに緩和させ、意図的に低熱膨張特性を悪化
させることにより、使用時の繰り返し熱サイクルにおけ
る熱膨張特性の安定化を図るものである。
下限温度を100℃としたのは、100℃未満では要求
される低熱膨張温度80℃とほとんど温度差が無く、磁
歪緩和による熱膨張特性の繰り返し安定性が得られない
ことによる。
また、130℃を越える温度では逆に磁歪が緩和し過ぎ
良好な低熱膨張特性が得られないことから、上限温度を
130℃とした。
以上の各熱処理からなる本発明方法により、本発明合金
を得ることができる0本発明合金における成分岨或は、
公知のインバー合金、スーパーインバー合金を包含する
ものであり、Ni含有量を30〜45%にするのは、こ
の範囲外では所望の低熱膨張特性が得られないからであ
る。
またオーステナイト相を95%以上とするのは、これ未
満では、やはり所望の低熱膨張特性が得られないからで
ある。この値は高いほどソましい。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例により説明する。
化学成分組成が重量%でNi:31.3、C。
:4.9、 Si : 0.I Ol Mn:0.26
、残部実質的にFeからなる低熱FJ張金合金真空誘導
溶解炉で溶解し、あらかじめロストワックス精密僑遺法
により製作した鋳型に鋳込み、熱膨張試験片(5φX2
01請ω)倚造祠を同時に9本製作した。
これらの試験片をMS1表に示す組み合わせにて熱処理
したのち、−50℃のドライアイス、エチルアルコール
混合液中に15分間浸漬したのち100℃の乾燥炉中に
1時間投入した。
この冷却、加熱サイクル゛を合計5回繰り返した後、−
20℃から80℃間の平均熱膨張係数を昇温レート2.
5°C/1Iinで測定した。
連続10回の熱膨張係数測定を実施した後、試験片の中
央を切断し、中心部のミクロ組織観察を行なった。
平均熱膨張係数測定とミクロ組織検鏡結果をpIS2表
に示すが、第2表の試料No、はPt51表のそれに対
応する。
第2表より、本発明の熱処理は高温から順次低温への3
段階の加熱、冷却工程により、組織安定化と、内部応力
除去、および磁歪の維持をうまくバランスさせ、繰り返
し熱サイクル試験後の低熱膨張特性を安定させているこ
とが分かる。
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
この実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の方
法によればロストワックス精密鋳造法のみならずシェル
モード法、砂型欝造法等の他の鋳造法にも適用で終るこ
とは明らかである。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の熱処理方法によれば、N
i偏析の存在する鋳造材でも、−50〜100℃までの
繰り返し温度サイクル試験後に安定した低熱膨張特性を
得ることができ、難削材であるインバー型低熱膨張合金
を従来の鍛圧材削り出し方法から、低コストで量産性の
ある鋳造法での製造を可能としたものである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Niを重量%で30〜45%含有するFe−Ni
    系低熱膨張鋳造合金であって、その組織の95%以上が
    オーステナイト相であり、温度範囲−50〜100℃の
    繰り返し温度サイクル試験後において、安定した熱膨張
    係数0.7〜1.5×10^−^■/℃(−20〜80
    ℃)を示すことを特徴とする低熱膨張鋳造合金。
  2. (2)Niを重量%で30〜45%含有するFe−Ni
    系低熱膨張鋳造合金を950〜1250℃の温度範囲で
    加熱、冷却後、700〜950℃の温度範囲で加熱、冷
    却することを特徴とする低熱膨張鋳造合金の製造方法。
  3. (3)Niを重量%で30〜45%含有するFe−Ni
    系低熱膨張鋳造合金を950〜1250℃の温度範囲で
    加熱、冷却後、100〜130℃の温度範囲で加熱、冷
    却することを特徴とする低熱膨張鋳造合金の製造方法。
  4. (4)Niを重量%で30〜45%含有するFe−Ni
    系低熱膨張鋳造合金を950〜1250℃の温度範囲で
    加熱、冷却後、700〜950℃の温度範囲で加熱、冷
    却し、次いで100〜130℃の温度範囲で加熱、冷却
    することを特徴とする低熱膨張鋳造合金の製造方法。
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