JPWO2016052554A1 - Fe−Mn系恒弾性・不感磁性合金及びその製造方法 - Google Patents
Fe−Mn系恒弾性・不感磁性合金及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2016052554A1 JPWO2016052554A1 JP2016552092A JP2016552092A JPWO2016052554A1 JP WO2016052554 A1 JPWO2016052554 A1 JP WO2016052554A1 JP 2016552092 A JP2016552092 A JP 2016552092A JP 2016552092 A JP2016552092 A JP 2016552092A JP WO2016052554 A1 JPWO2016052554 A1 JP WO2016052554A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- alloy
- young
- modulus
- temperature
- range
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910002551 Fe-Mn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 44
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 25
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 title claims description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 95
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 94
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 60
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 47
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 46
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 42
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 35
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 9
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000000586 desensitisation Methods 0.000 claims 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 34
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 25
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 20
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 description 15
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 12
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- OPPGAHUCKDKQJR-UHFFFAOYSA-N Coelonin Natural products C1CC2=CC(O)=CC=C2C2=C1C=C(O)C=C2OC OPPGAHUCKDKQJR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000005303 antiferromagnetism Effects 0.000 description 6
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 229910000914 Mn alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910020598 Co Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002519 Co-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000942 Elinvar Inorganic materials 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000004881 precipitation hardening Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 229910000521 B alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019589 Cr—Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003266 NiCo Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- ZDVYABSQRRRIOJ-UHFFFAOYSA-N boron;iron Chemical compound [Fe]#B ZDVYABSQRRRIOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 150000002506 iron compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005408 paramagnetism Effects 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000005491 wire drawing Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
Abstract
Description
恒弾性材料は、従来、測量器、地震計、回転計、時計等の精密機器用材料として開発されてきた。
代表的恒弾性合金は、非特許文献1:金属データブック(改訂4版)、日本金属学会編集、平成16年2月29日、丸善株式会社発行、第249頁に示されており、この中のコエリンバー、エルコロイIVは本出願人である公益財団法人電磁材料研究所(旧財団法人電気磁気材料研究所)が研究開発したものである。すなわち、本出願人は、1955年頃から恒弾性合金の開発研究を行い、エルコロイIVを1955年に、コエリンバーを1958年に発明した。
非特許文献1に示されているエリンバーの中で最もヤング率が高い材料はNi系合金のYN ic(ヤング率186〜196GPa)である。しかしこの合金は伸びが僅かに2%程度であるので、加工性が劣る。
従来の恒弾性材料であるエリンバー、コエリンバーは強磁性体であるために外部磁場に対して敏感であり、また恒弾性(以下、「エリンバー特性」ということもある)の温度範囲が狭い欠点がある。
鉄系恒弾性合金では、恒弾性現象が強磁性と密接に関連して、その磁気弾性効果によって現れることから、反強磁性合金では恒弾性現象は起こらないと考えられてきた。
Fe−Mn二元系合金の状態図に関しては、1950年代に、非特許文献2:Eduard Houdremont,Handbuch der SonderstahKunde,Erster Band,1956年発行、第492−494頁で記載されているが、磁性に関しては「ε相はγ固溶体と同様に、強磁性ではない。」(第494頁)と簡単に触れられているだけである。
(1)Fe-Mn二元系合金:Fe-21〜27%Mnは上記範囲のヤング率温度係数を有する。
(2)組成:Crは上記範囲のヤング率温度係数が得られるMn含有量を下げる効果をも
っている(図4、カラム3、第43行の組成式)。4%までのCrは、Ni、Co、V、 Mo、 W及び/又はSiにより置換できる(カラム5、第44〜59行)。Cの一部はNにより置換することができる。
(3)ヤング率の温度係数:Crは、ヤング率の温度係数で表して-10×10-5〜10× 10-5/℃の恒弾性特性が得られるFe-Mn系合金の組成を低Mn領域に変移させる効果がある(図5)。一方、Cは恒弾性特性が得られるFe-Mn系合金の組成を高Mn領域に変移させる効果がある(図4)。
(4)製造方法:熱処理と熱間・冷間加工を調整することにより、恒弾性特性を得ること
ができる。ひげぜんまいの場合は70%の冷間加工を行い、その後580℃、1時間の熱処理は行う。あるいはAl、Be、Ti、Nbなどの元素を有する合金は、溶体化処理後に450〜750℃の時効処理を最終熱処理として行う。
(5)磁性不感特性:時計のヒゲゼンマイをスイス時計協会が規定する試験法により、
60 Oeの磁場中に放置した後の時計の遅れを測定し、0秒/日であること、及び時計は
700 Oeの磁場中で停止したとの結果を得ており、この磁性不感性能は従来の強磁 性合金より優れていると評価している。
なお、特許文献1における次の説明は特許文献2では削除され、前掲(1)〜(3)で引用した新たな知見が提示されている。特許文献1のカラム4、第12〜16行:10〜100wt%Mn-Feの組成範囲において反強磁性が現れるが、特許文献1が特徴とするCrを添加した組成では反強磁性が保たれると弾性的挙動が改善される。
この特許文献では、音片の振動周波数の温度に対する変化特性を測定し、Fe-Mn二元系では最大周波数と最小周波数の差が大きいが、Cr、Coはネール温度を下げることにより、この差を小さくする効果があると説明している。さらに、不純物として、2wt%以下のAl、Ti、Mo、V、Nb、W、Be、Co、Cr、C、Nなどが含有される。
この特許文献では、音片の振動周波数の温度に対する変化特性を測定し、Fe-Mn二元系では最大周波数と最小周波数の差が大きいが、Ni、 Cr、Coはネール温度を下げることにより、この差を小さくする効果があると説明している。さらに、不純物として、2wt%以下のAl、Ti、Mo、V、Nb、W、Be、Cu、Si、C、B、Nなどが含有される。
この特許文献では、音片の振動周波数の温度に対する変化特性を測定し、Fe-Mn二元系では最大周波数と最小周波数の差が大きいが、Ni、Crはネール温度を下げることにより、この差を小さくする効果があると説明している。さらに、不純物として、2wt%以下のAl、Ti、Mo、V、Nb、W、Be、Cu、Si、C、B、Nなどが含有される。
最近では、時計のひげゼンマイ材料としてSi単結晶や、Nb合金などの非磁性材料が開発され、高級機械式時計に採用されている。しかしながら、これらの材料は、加工性が極めて不良であり、歩留まりが悪いために、コスト高になるという問題がある。
現在は、ひげゼンマイよりもさらに強い磁場中で使用される装置・機器として、例えば、リニアモーターカー、超伝導コイル医療機器、強磁場装置などが身近になり、強い磁場下でも使用できる高性能の不感磁性合金の出現が強く求められている。
第1発明は、実質的に、21〜27at%の Mn、及び周期律表のIVB〜VIBに属するMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2種以上からなるX元素を合計で0.2〜7 at%含有し、残部がFe及び不可避的不純物であるとともに、少なくとも-20〜80℃の温度範囲のヤング率の温度係数±5×10-5/℃以内、及び磁束密度(1.5T)300G以下により、それぞれ表される恒弾性及び不感磁性を兼備したことを特徴とするFe-Mn系合金に関する。
Y元素:C、B及びNの1種又は2種以上2at%以下。
Z元素:Cr、V、Si、Cu及びAlの1種又は2種以上3at%以下。
W元素:Ni及びCoの1種又は2種5at%以下。
(2)さらに、X 元素に加えてY、Z及び/又はWを少量添加した本発明合金(請求項2、4、5)は、上記した恒弾性及びその温度範囲を保持したまま、主として、ヤング率の向上(Y元素)、耐食性向上(Z元素)、γ相の安定化(W元素)などの特性向上に寄与する。
(3)また、特定組成をもつ本発明の合金は恒弾性及びその温度範囲拡大に加えて、熱膨張率が低いという特徴ももっている(請求項4、5)。
(4)本発明合金の恒弾性は製造工程の加工・熱処理条件により影響されるが、第5発明の製造方法を採用し、最終形状が得られた後に800〜1200℃の高温熱処理を行うことにより恒弾性と不感磁性を得ることができるので、製造工程途中の各種加工や加工中の中間熱処理を採用することができる(請求項6)。さらに、各種加工素材を200〜300℃間で低温熱処理することにより、高いヤング率を保持する加工組織が残存したままで恒弾性と不感磁性を得ることができる(請求項7)。
図1は、後述の実施例で説明する製造方法により製造したFe-15〜35at%Mnの組成を有する試験片の常温磁束密度(B1.5T)を示すグラフである。このグラフから分かるようにMn 21at%以上において、常温磁束密度(B1.5T)が約100 Gと低くなる。この組成のネール温度は100〜130℃近傍にあり、反強磁性を得ることができる。但し、Mn含有量が27at%を超えると、ヤング率の温度係数の絶対値が大きくなる。また、Fe-Mn系合金を溶解して鋳造したインゴットの加工性が劣化するために、線材などの精密機器部品に適した形状に加工することが困難になる。
このグラフから、Fe-25at%Mn二元系はヤング率の温度係数が約-15×10-5/℃であり、絶対値が非常に大きいことが分かる。Xは、周期律表のIVB〜VIB族に属するMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr、Hfであり、ヤング率の温度係数が±5×10-5/℃の範囲内に入り、恒弾性特性を著しく良好にする効果がある。但し、X元素の含有量が0.2 at%未満であると、上記した恒弾性改善効果が少なく、また7at%を超えると、ヤング率の温度係数の絶対値が大きくなるとともに材料の加工性が劣化するために、X元素の含有量は0.2〜7at%とした。好ましいX元素の含有量は0.3〜5at%である。
さらに、図2のグラフから分かるようにCr、Vを含む合金のヤング率の温度係数は±5×10-5/℃の範囲外に大きく逸脱する。
本発明のFe-Mn-X系恒弾性不感磁性合金は、ヤング率、耐食性、硬さ及び降伏強度の向上などを図るために、Y元素を目的に応じた適量を添加しても、上記した諸特性が維持される組成範囲がある。即ち、強度向上のためのC、B、Nの1種又は2種以上のY元素を合計で2at%以下添加することができる。また、Y元素のC、B、Nは、合計で2at%以下であれば恒弾性現象には殆ど影響しないで、約500〜900℃の熱処理によって化合物の析出硬化による硬さ、強度の上昇が起こり、さらには、ヤング率は約190 GPa以上と著しく向上する。
(1)ヤング率
図3は、後述の実施例で説明する製造方法により作製したFe-25at%Mn-0.6〜4.9at%Moの組成を有する試験片のヤング率の温度変化を示すグラフである。なお、試験片の熱処理は、素材を900℃、1時間加熱後空冷を行った。図3から分かるように、Fe-25at%Mn-0.6〜4.9at%Moの組成では良好な恒弾性特性が得られており、常温におけるヤング率は約150〜170GPaの範囲にある。また、図9にはFe-26.2at%Mn-1.8at%Mo合金素材を900℃、1時間焼鈍後、50%冷間加工した試験片を1200℃まで加熱したときのヤング率の温度変化を示している。さらに、図11にはX元素(Mo、W、Nb、Ta、Ti、Zr、Hf)を添加したFe-25at%Mn-X合金の900℃、1時間焼鈍した試験片のヤング率の温度変化を示している。これらの図から分かるように、常温のヤング率は、組成、加工及び熱処理により影響され、凡そ150〜250GPaの範囲で大きく変化する。特に、Nb、Zr、Hf、Ta、Ti等の添加及び冷間加工後1000℃以上の高温焼鈍処理はヤング率を増大させる効果が大きい。このように、本発明の合金は広い常温ヤング率の値を有しており、種々の応用に適応させることができる。
図2を参照して説明したように、本発明が特徴とするX元素の添加により少なくとも-20〜80℃という広い温度範囲において、±5×10-5/℃の範囲内のヤング率の温度係数をもつFe-Mn系合金が提供される。
図4は、Fe-26.2at%Mn-1.8at%Mo合金に熱処理900℃、1時間を施した試験片のヤング率を-100〜200℃の温度範囲で測定したグラフである。このグラフにおいて、‐20〜100℃の温度範囲において、ヤング率の温度係数が一定し、恒弾性が得られているのは、上記合金が反強磁性体であることと関連している(図1参照)。但し、ほとんどの恒弾性・不感磁性合金の用途では、-20 〜80℃の範囲内の温度変化に合金がさらされるので、この範囲を本発明においては恒弾性が得られる範囲とした。
本発明が特徴とする±5×10-5/℃のヤング率の温度係数により表される恒弾性特 性は約15%以上の加工度の加工により劣化するが、熱処理により回復する。
図5は、後述の実施例の方法で製造した鍛造材を900℃、1時間加熱して焼鈍後空冷し、その後加工率50%(断面積減少率)まで、10%刻みで冷間加工した材料のヤング率、及びその内の50%の冷間加工材を200〜1200℃で熱処理した各試験片についてヤング率の温度係数を測定したグラフである。このグラフから分かるように、900℃、1時間の熱処理を施した素材に施す冷間加工が15%以下であると、±5×10-5/℃の範囲内のヤング率の温度係数を保つことができる。さらに高い加工率の冷間加工によりヤング率の温度係数はマイナス方向に大きく増大する。しかし、50%の冷間加工を施した試験片を加熱すると、ヤング率の温度係数はプラス方向に著しく増大した後、600℃以上で再び減少して、800℃以上で±5×10-5/℃の範囲に回復する。図9は20〜200℃の温度範囲のヤング率の変化を示す。したがって、加工によって失われた恒弾性効果は、熱処理によって、約250℃及び800〜1200℃の2つの温度領域で回復し、恒弾性効果が得られることが分かる。
図1に示すように、Fe−21〜27at%Mnの範囲において常温磁束密度(B1. 5T)は非常に低くなり、1.5Tの強い外部磁界においても磁束密度が約20G程度までしか磁化されない。なお、本発明において、磁束密度を測定する磁界の強さを1.5T(テスラ)としたのは飽和磁束密度を得るためである。同一の磁界で測定した場合のコエリンバーなどの強磁性恒弾性材料と比較すると、本発明のFe−Mn−X三元系合金の磁束密度は1/500程度と非常に低く、磁性不感特性が根本的に改善されている。即ち、本発明のFe−Mn−X−(Y、Z、W)系合金は、時計などがさらされる数100 Oeの磁界中で使用されても、また1.5Tという強磁界中で使用されても、磁性不感特性を発揮し、恒弾性特性を維持する。
図7は、横軸が図6の熱処理温度と同じであり、縦軸が、常温、1.5T(テスラ)の磁界で測定した磁束密度(G、ガウス;1G=10−4T)を示している。この図から、600〜900℃の範囲で熱処理された試験片は常温での磁束密度が約20Gであり、極めて小さいことが分かる。
本発明のFe−Mn−X−(Y、Z、W)合金では、添加元素によっては少量のα−Feや鉄化合物が析出して磁化が上昇する場合がある。しかし、磁束密度が300Gまでは恒弾性特性が維持されるので、この値を本発明の特性とした。
図8は、図6に示される900℃熱処理を施された試験片の熱膨張率の温度係数を示すグラフである。熱膨張率は、20〜90℃までの変曲点以下では1.1×10-5/℃である。表1に見るように、Fe-Mn二元系合金の熱膨張率は約1.4×10-5/℃であるのに対して、Fe-23〜27at%Mn合金にX元素含むFe-Mn-X合金(第4発明)は1.1×10-5/℃以下の優れた低熱膨張特性をもっている。さらにY元素を含むFe-Mn-X-Y合金(第5発明)も1.1×10-5/℃以下の優れた低熱膨張特性を持っている。本発明においては、Fe-Mn二元系合金との熱膨張率の有意差が明確になるように、熱膨張率測定は、変曲点以下で、20〜90℃という広い温度範囲で行った。
上述した、ヤング率の温度係数及び不感磁性を利用した用途例は、強い外部磁界がかかる環境で使用される精密機器の部品、例えば、吊り線、コイルばね、板ばね、ひげぜんまい、板ばねの回転計、リニア−モーターカーの駆動部、超電導コイルを利用した医療機器、強磁場装置、宇宙精密機器などがある。また、上記特性に加えて低熱膨張率を要求する用途も増えつつある。
本発明の合金は、鋳造材を加工して線材、細線、板材又は薄板の形状を付与し、主として小型の精密機器の部品として使用される。鋳造材は、900℃以上、融点以下の温度で、好ましくは900〜1300℃の熱処理を施した後、加工及び熱処理を施す。加工は、熱間及び冷間加工により上記した線材、細線、板材又は薄板の形状の素材を得ることを目的とする。これらの加工工程の途中における熱処理は、適宜行うことができるが、最終形状及び寸法を有する素材に800〜1200℃の熱処理を行うことが必要である。
図5のデータには、前掲(5)以外に、本発明の製造工程において施されることがある次の加工・熱処理条件が示されている。即ち、(a)冷間加工状態の素材は、ヤング率は大きく、かつ負の温度係数を有する。(b)素材を約200℃以上で熱処理すると、ヤング率の温度係数は負から正の値に大きく変化し、250℃付近に±5 X10− 5/℃の値が得られる。この結果から、鋳造材に適宜、熱間・冷間加工を施して線材、細線、板材、薄板などに成形加工した素材を200〜300℃の低温熱処理を施すことで恒弾性を得ることが期待できる。ヤング率、強度、硬度は、加工組織が残存するために高い値を示すのが特徴である。例えば、ヤング率215GPa(図9)、硬度490Hvが得られる。但し、恒弾性が得られる温度は極めて狭いので、図5に示されたFe−26.2at%Mn−1.8at%Mo合金(900℃×1hr熱処理・空冷後加工)の例のように、合金組成や加工状態により熱処理温度を選択する必要がある。
一方、常温磁束密度については、上記図5の供試材の低温熱処理と同様、As Pr.材の約200℃の熱処理によっても恒弾性合金の常温磁束密度(B1.5T)は約30Gを示し(図7)、不感磁性特性を満たしている。
なお、熱膨張率の温度変化は、製造法による影響を殆ど受けないので、第4、5発明の組成を持つ合金であれば、第7発明の方法で製造しても低熱膨張率を持っている。
なお、実験で使用した測定装置として、ヤング率測定に自由共振式ヤング率測定装置
、磁束密度測定に振動型磁力計、熱膨張率測定にプッシュロット型全膨張式熱膨張計、
硬さ測定に微少ビッカース硬度計、結晶構造解析には全自動多目的X線回折装置等を使
用した。
原料として、市販の99.99%純度の電解鉄、99.9%純度の電解マンガン、99 .9%純度の塊状モリブデンを用い、原料の全重量 500gをアルミナ坩堝に挿入し 、真空中で高周波誘導電気炉によって溶かした後、20mm径の金型に注入して鋳造材 とした。その後鋳造材を1000℃で均一化熱処理を行った後、熱間鍛造して10mm 角の棒とした。さらに、この角棒を1000℃、1時間の焼鈍後、スエージング及 び線引きや圧延により所定の試験片とした。最終熱処理は真空中で900℃、1 時間行い、実験に供した。供試材試験片の特性、即ち、合金組成(at%)、ヤング 率、熱膨張率、硬さ、磁性、組織の観察結果をまとめて表1及び表2に示す。この表 1に示す試験片の合金組成はFe−Mn-X系を、表2にはFe-Mn-Mo-( Y、Z、W)系の例を示しており、また、比較例としてX元素を含 まない合金系を併せて示した。
X及びW元素の添加は約99%純度の金属を用い、Cは鉄-炭素系合金、NはMn-窒素系化合物、Bは鉄-ホウ素系合金を用いた他は、実施例1と同様の方法により試験片を製造した。供試試験片の特性を表2に示す。表に示す試験片の合金組成はFe-Mn-Mo-(Y、Z、W)系合金を中心に、併せて比較例としてX元素を含まない合金系を示した。
[0020]
よって、本発明は、少なくとも−20〜80℃の温度範囲において±5×10−5/℃の範囲内のヤング率温度係数で表される恒弾性が得られかつ磁性不感性を有する新規なFe−Mn系合金を提供することを主たる目的とする。
課題を解決するための手段
[0021]
本発明が特徴とするところは次のとおりである。
第1発明は、実質的に、21〜27at%のMn、及び周期表のIVB〜VIBに属するMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2種以上からなるX元素を合計で0.2〜7at%含有し、残部がFe及び不可避的不純物であるとともに、少なくとも−20〜80℃の温度範囲のヤング率の温度係数±5×10−5/℃以内、及び磁束密度(1.5T)300G以下により、それぞれ表される恒弾性及び不感磁性を兼備したことを特徴とするFe−Mn系合金に関する。
[0022]
第2発明は、Mn及び前記X元素、下記Y、Z及びW元素の1種又は2種以上及び、残部のFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする第1発明に係るFe−Mn系合金に関する。
Y元素:C、B及びNの1種又は2種以上2at%以下。
Z元素:Cr、V、Si、Cu及びAlの1種又は2種以上3at%以下。
W元素:Ni及びCoの1種又は2種5at%以下。
[0023]
第3発明は、X元素の含有量が0.3〜5at%である第1又は第2発明に係るFe−Mn系合金に関する。
[0024]
第4発明は、23〜27at%のMn、周期表のIVB〜VIBに属すMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2種以上からなるX元素を合計で0.2〜7at%、及び、残部Feと不可避的不純物からなり、0〜80℃範囲における熱膨張率が1.1×10−5/℃以下で表される低熱膨張率特性を有することを特徴とする第1発明に係るFe−Mn系合金に関する。
[0025]
第5発明は、23〜27at%のMn、周期表のIVB〜VIBに属すMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2種以上からなるX元素を合計で0.2〜7at%、C、B及びNの1種又は2種以上のY元素を合計で2at%以下、及び、残部Feと不可避的不純物からなり、0〜80℃範囲における熱膨張率が1.1×10−5/℃以下で表さ
発明を実施するための形態
[0030]
組成(基本組成)
図1は、後述の実施例で説明する製造方法により製造したFe−15〜35at%Mnの組成を有する試験片の常温磁束密度(B1.5T)を示すグラフである。このグラフから分かるようにMn21at%以上において、常温磁束密度(B1.5T)が約100Gと低くなる。この組成のネール温度は100〜130℃近傍にあり、反強磁性を得ることができる。但し、Mn含有量が27at%を超えると、ヤング率の温度係数の絶対値が大きくなる。また、Fe−Mn系合金を溶解して鋳造したインゴットの加工性が劣化するために、線材などの精密機器部品に適した形状に加工することが困難になる。
[0031]
図2は後述の実施例で説明する製造方法により製造したFe−25at%Mn−Xの組成を有する試験片のヤング率温度係数(温度範囲−20〜80℃)を示すグラフである。なお、試験片の熱処理は900℃、1時間加熱後空冷で行った。
このグラフから、Fe−25at%Mn二元系はヤング率の温度係数が約−15×10−5/℃であり、絶対値が非常に大きいことが分かる。Xは、周期表のIVB〜VIB族に属するMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr、Hfであり、ヤング率の温度係数が±5×10−5/℃の範囲内に入り、恒弾性特性を著しく良好にする効果がある。但し、X元素の含有量が0.2at%未満であると、上記した恒弾性改善効果が少なく、また7at%を超えると、ヤング率の温度係数の絶対値が大きくなるとともに材料の加工性が劣化するために、X元素の含有量は0.2〜7at%とした。好ましいX元素の含有量は0.3〜5at%である。
さらに、図2のグラフから分かるようにCr、Vを含む合金のヤング率の温度係数は±5×10−5/℃の範囲外に大きく逸脱する。
[0032]
上記したMn及びX元素の残部は実質的にFe及び不可避的不純物であり、上記したX元素の効果を維持できる限度で少量の他の元素の含有が許容される。不可避的不純物とは、これら元素の原料に含有される不純物及び溶解に起因する不純物、例えばP(燐)、S(硫黄)、O(酸素)などである。
[0033]
組成(任意添加成分)
Claims (7)
- 実質的に、21〜27at%の Mn、及び周期律表のIVB〜VIB に属すMo、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2 種以上からなるX元素を合計で0.2〜7 at%含有し、残部がFe及び 不可避的不純物であるとともに、少なくとも-20〜80℃の温度範囲のヤング率の温 度係数±5×10-5/℃以内、及び磁束密度(1.5T)300 G以下により、そ れぞれ表される恒弾性及び不感磁性を兼備したことを特徴とするFe-Mn系合金。
- Mn、前記X元素、下記Y、Z及びW元 素の1種又は2種以上、及び残部Fe及び不可避的不純物からなることを特 徴とする請求項1記載のFe-Mn系合金。
Y元素;C、B及びNの1種又は2種以上2at%以下。
Z元素: Cr、V、Si、Cu及びAlの1種又は2種以上3at%以下。
W元素:Ni及びCoの1種又は2種5at%以下。 - X元素の含有量が0.3〜5at%である請求項1又は2記載 のFe-Mn系合金。
- 23〜27at%の Mn、周期律表のIVB〜VIBに属すMo 、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2種以上からな るX元素を合計で0.2〜7 at%、及び、残部Feと不可避的不純物から なり、0〜80℃範囲における熱膨張率が1.1×10-5/℃以下であることを特徴 とする請求項1記載のFe-Mn系合金。
- 23〜27at%の Mn、周期律表のIVB〜VIBに属すMo 、W、Nb、Ta、Ti、Zr及びHfの1種又は2種以上からな るX元素を合計で0.2〜7 at%、C、B及びNの1種又は2種以上の Y元素を合計で2at%以下、残部、Feと不可避的不純物からなり、0 〜80℃範囲における熱膨張率が1.1×10-5/℃以下であることを特徴とする請求 項2記載のFe-Mn系合金。
- 請求項1から3までの何れか1項記載の組成を有する鋳塊を900℃ 以上融点以下の温度範囲で均一化処理し、処理された鋳造材を種々の熱間又は冷間加 工処理を行って、線材、細線、板材又は薄板の形状を有する素材に加工し、最終形状・ 寸法に加工後800〜1200℃の温度範囲で熱処理を行うことを特徴とする恒弾性及び 不感磁性を兼備したFe-Mn系恒弾性不感磁性合金の製造方法。
- 請求項1から3までの何れか1項記載の組成を有する鋳塊を900℃以上融点以下の温度範囲で均一化処理し、処理された鋳造材を種々の熱間又は冷間加工処理を行って、線材、細線、板材又は薄板の形状を有する素材に加工し、最終形状・寸法に加工後200〜300℃の温度範囲で低温熱処理を行うことを特徴とする恒弾性及び不感磁性を兼備したFe-Mn系恒弾性不感磁性合金の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014199908 | 2014-09-30 | ||
JP2014199908 | 2014-09-30 | ||
PCT/JP2015/077597 WO2016052554A1 (ja) | 2014-09-30 | 2015-09-29 | Fe-Mn系恒弾性・不感磁性合金及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2016052554A1 true JPWO2016052554A1 (ja) | 2017-08-03 |
JP6459078B2 JP6459078B2 (ja) | 2019-02-06 |
Family
ID=55630579
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016552092A Active JP6459078B2 (ja) | 2014-09-30 | 2015-09-29 | Fe−Mn系恒弾性・不感磁性合金 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6459078B2 (ja) |
WO (1) | WO2016052554A1 (ja) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4829686B1 (ja) * | 1970-02-23 | 1973-09-12 | ||
JPS6130651A (ja) * | 1984-07-18 | 1986-02-12 | Kawasaki Steel Corp | 半導体封着用の非磁性合金 |
JPH04141557A (ja) * | 1990-09-28 | 1992-05-15 | Nippon Steel Corp | リニアモーターカー鋼橋用高Mn非磁性鋼 |
JPH04143218A (ja) * | 1990-10-05 | 1992-05-18 | Kobe Steel Ltd | 局部変形能に優れた高Mn非磁性鋼の製造方法 |
JPH04362158A (ja) * | 1991-06-07 | 1992-12-15 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | 高強度非磁性低熱膨張合金およびその製造方法 |
JPH06184700A (ja) * | 1992-12-18 | 1994-07-05 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | 高強度非磁性低熱膨張合金 |
-
2015
- 2015-09-29 JP JP2016552092A patent/JP6459078B2/ja active Active
- 2015-09-29 WO PCT/JP2015/077597 patent/WO2016052554A1/ja active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4829686B1 (ja) * | 1970-02-23 | 1973-09-12 | ||
JPS6130651A (ja) * | 1984-07-18 | 1986-02-12 | Kawasaki Steel Corp | 半導体封着用の非磁性合金 |
JPH04141557A (ja) * | 1990-09-28 | 1992-05-15 | Nippon Steel Corp | リニアモーターカー鋼橋用高Mn非磁性鋼 |
JPH04143218A (ja) * | 1990-10-05 | 1992-05-18 | Kobe Steel Ltd | 局部変形能に優れた高Mn非磁性鋼の製造方法 |
JPH04362158A (ja) * | 1991-06-07 | 1992-12-15 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | 高強度非磁性低熱膨張合金およびその製造方法 |
JPH06184700A (ja) * | 1992-12-18 | 1994-07-05 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | 高強度非磁性低熱膨張合金 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016052554A1 (ja) | 2016-04-07 |
JP6459078B2 (ja) | 2019-02-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5215855B2 (ja) | Fe基合金及びその製造方法 | |
JP5189580B2 (ja) | 磁性不感高硬度恒弾性合金及びその製造法、並びにひげぜんまい、機械式駆動装置及び時計 | |
CN108754333B (zh) | 奥氏体系不锈钢板及使用其的高弹性极限非磁性钢材的制造方法 | |
JP2010138491A5 (ja) | ||
JP5872334B2 (ja) | 軟磁性ステンレス鋼細線およびその製造方法 | |
JP5059035B2 (ja) | 高弾性・恒弾性合金及びその製造法並びに精密機器 | |
JP2003301245A (ja) | 析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼 | |
JPWO2014157146A1 (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼板およびそれを用いた高強度鋼材の製造方法 | |
JP5486050B2 (ja) | 高弾性・恒弾性合金及びその製造法並びに精密機器 | |
JP2012241210A (ja) | 制振合金材の製造方法と制振合金材 | |
JP5787499B2 (ja) | 非晶質磁性合金、関連物品及び方法 | |
JP3614869B2 (ja) | 高強度非磁性低熱膨張合金 | |
JP5406686B2 (ja) | 非磁性鋼 | |
JP6453683B2 (ja) | 軟磁性用線材、棒鋼及び軟磁性鋼部品 | |
JP6459078B2 (ja) | Fe−Mn系恒弾性・不感磁性合金 | |
JP2013049918A (ja) | 電磁ステンレス鋼及びその製造方法 | |
JP2574528B2 (ja) | 高硬度低透磁率非磁性機能合金およびその製造方法 | |
JP5742446B2 (ja) | 電磁ステンレス鋼 | |
JP3693577B2 (ja) | トルクセンサ用軸材及び該軸材を用いているトルクセンサ | |
JP4772703B2 (ja) | 磁気特性に優れた電磁軟鉄製部品並びに電磁軟鉄製部品用棒線材及びその製造方法 | |
WO2023243533A1 (ja) | Fe-Mn合金、時計用ひげぜんまいおよびFe-Mn合金の製造方法 | |
JP2004143585A (ja) | 複合磁性部材用素材、並びに該素材を用いて成る複合磁性部材、並びに該部材の製造方法、並びに該部材を用いて成るモータ | |
JP3676477B2 (ja) | 複合磁性部材およびその製造方法 | |
JP2004091842A (ja) | 複合磁性部材用素材、並びに該素材を用いて成る複合磁性部材、並びに該部材の製造方法、並びに該部材を用いて成るモータ | |
JP2021116445A (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに電子機器部材 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170306 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170306 |
|
A524 | Written submission of copy of amendment under article 19 pct |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A527 Effective date: 20170227 |
|
A529 | Written submission of copy of amendment under article 34 pct |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A5211 Effective date: 20170227 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180316 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180710 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180906 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20181204 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20181213 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6459078 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |