KR102360098B1

KR102360098B1 - 저열팽창 주강품 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR102360098B1
Application number: KR1020150091502A
Authority: KR
Inventors: 하루야스 오노; 나오키 사카구치; 고타로 오나
Original assignee: 신호코쿠 머티리얼 가부시키가이샤
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2022-02-08
Also published as: KR20160004195A; KR20160004194A; TW201608036A; JP2016027187A; KR102360099B1; TWI655300B; JP6058045B2; TWI655301B; JP6504859B2; TW201608037A; JP2016027188A

Abstract

열팽창율이 낮은 주강품을 얻는다. 성분 조성이, 질량%로, C: 0.04% 이하, Si: 0.3% 이하, Mn: 0.5% 이하, Al: 0.2% 이하, Ni: 31 내지 34%, 및 Co: 2 내지 6%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물이며, 오스테나이트 조직의 평균 결정립경이 200㎛ 이하이고, 18 내지 28℃에 있어서의 열팽창계수가 0.2×10^-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품.

Description

저열팽창 주강품 및 그의 제조 방법{LOW THERMAL EXPANSION CAST STEEL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 낮은 열팽창계수를 가진 저열팽창 주강품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

엘렉트로닉스나 반도체 관련 기기, 레이저 가공기, 초정밀 가공 기기의 부품 재료로서 열적으로 안정적인 인바 합금이 널리 사용되고 있다.

특허 문헌 1에는 Ni: 29.5 내지 35%, Co: 2.0 내지 7.0%, Cr: 0.001 내지 2.0%를 함유하는 열팽창계수가 0.5×10^-6/℃ 내지 2.0×10^-6/℃인 저열팽창 합금이 개시되어 있다. 이 합금은 균질 용체화 처리 후, 담금질하거나 또는 1℃／초 이하의 속도로 냉각하여 소둔을 실시한 후, 10% 이상의 냉간 압연 가공을 실시함으로써 얻을 수 있다.

특허 문헌 2에는 Co: 65% 이하, Ni: 30% 이하, Cr: 10% 이하를 함유하고, Co 및 Ni의 합계 함유량이 25 내지 65%인 저열팽창선이 개시되어 있다. 특허 문헌 2는 저열팽창선을 냉간 가공에 의하여 오스테나이트상의 일부의 가공 유기 마르텐사이트상으로 변태시키는 방법을 개시하고 있다.

특허 문헌 3에는 Ni: 0.03 내지 1.5%, Ni와 Co의 합계: 53 내지 55%, Cr: 9 내지 10%를 함유하는 저열팽창 합금을 개시하고 있다. 특허 문헌 3은 합금을 650 내지 900℃에서 소둔한 후, 노 내에서 20℃／분 미만의 속도로 냉각하는 방법을 개시하고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공보 제2796966호 [특허 문헌 2] 일본 공개 특허 공보 평6－279945호 [특허 문헌 3] 일본 특허 공보 제5534150호

[비특허 문헌 1] 주조 기술 강좌 편집위원회 편 (1967), 강 주물, 일간공업신문사, p.3 내지 32,

일반적으로, 복잡한 형상을 가진 부재에는, 제조의 용이함으로 인하여, 기계 가공이나 용접이 아니라 주강품이 사용된다. 주강품은 주형에 용탕을 부어 넣음으로써, 소형의 부품으로부터 대형의 부품까지 임의의 형상을 얻을 수 있기 때문에, 제조가 용이하다는 이점이 있다.

지금까지, 시험편 레벨의 인바 합금에 대하여는, 전술한 바와 같이, 여러 가지 발명이 나와 있다. 그러나, 모든 부위에 대하여 열팽창계수가 낮은 값을 나타내는, 특히 중량이 10 ㎏ 이상이 되는 대형의 주강품에 대하여는 보고되어 있지 않다. 이는 주형에 의한 응고에서는 주형 벽면에 거의 수직인 방향으로 온도 구배가 생겨서 벽면으로부터 중심을 향하여 응고가 진행하지만, 특히 대형이거나 형상이 복잡하거나 한 경우에, 주강품 전체를 일정한 조직으로 하는 것이 어렵기 때문이라고 생각된다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하고, 중량이 10 ㎏ 이상이 되는 대형이어도, 모든 부위에 있어서 낮은 열팽창계수를 가진 주강품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 특히 중량이 10 ㎏ 이상이 되는 대형이어도, 모든 부위에 대하여 열팽창계수가 낮은 값을 나타내는 주강품을 제조하는 방법에 대하여 예의 검토하였다. 그 결과, 주조 후의 주강품을 Ms점 이하까지 강제 냉각함으로써 일부분 또는 대부분을 마르텐사이트 변태시킨 후, 재차 가열하여 마르텐사이트 조직을 오스테나이트화하고, 그 후, 소정의 속도로 냉각함으로써, 통상의 주강품이면 1 내지 10 mm 정도 크기의 오스테나이트 결정립이 되는 조직이(예를 들어 비특허 문헌 1 참조), 주강품의 전체에 걸쳐서, 통상의 응고의 조직 제어에서는 얻을 수 없는 미세한 조직이 되고, 그 결과, 주강품이 대형이어도, 어느 부위에 대하여도 열팽창계수가 낮은 주강품을 제조할 수 있는 것을 밝혀내었다. 본 발명은 상기의 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 성분 조성이, 질량%로, C: 0.04% 이하, Ni: 31 내지 34% 및 Co: 2 내지 6%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물이고, 오스테나이트 조직의 평균 결정립경이 200㎛ 이하이며, 18 내지 28℃에 있어서의 열팽창계수가 0.2×10^-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품.

(2) 중량이 10 ㎏ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 저열팽창 주강품.

(3) 최대 두께가 35 mm 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 저열팽창 주강품.

(4) 성분 조성이, 질량%로, C: 0.04% 이하, Ni: 31 내지 34% 및 Co: 2 내지 6%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물인 주강품을, Ms점 이하까지 냉각하고, Ms점 이하의 온도에서 0.5 내지 3 시간 유지한 후 실온까지 승온하는 쿠라이오 처리 공정과 쿠라이오 처리를 실시한 주강품을, 800 내지 1100℃로 가열하고, 0.5 내지 5 시간 유지하는 재결정 처리 공정과, 재결정 처리를 실시한 주강품을, 650 내지 300℃의 사이에 있어서의 냉각 속도를 30℃／분 이상으로 급랭하는 냉각 공정을 순서대로 구비하는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품의 제조 방법.

(5) 상기 쿠라이오 처리 공정의 전에, 또한 주강품을 800 내지 1100℃로 가열하고, 0.5 내지 5 시간 유지하는 용체화 처리 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 저열팽창 주강품의 제조 방법.

(6) 상기 쿠라이오 처리 공정의 전에, 또한 주강품을 1100 내지 1300℃에서 5 내지 50 시간 유지하는 확산 처리 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 저열팽창 주강품의 제조 방법.

(7) 상기 용체화 처리 공정의 전에, 또한 주강품을 1100 내지 1300℃에서 5 내지 50 시간 유지하는 확산 처리 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 저열팽창 주강품의 제조 방법.

(8) 상기 쿠라이오 처리 공정과 상기 재결정 처리 공정의 사이에, 또한 주강품을 300 내지 400℃에서 1 내지 10 시간 유지하는 조질 처리 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 상기 (4) 내지 (7)의 어느 하나의 저열팽창 주강품의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 주조 후의 주강품에 소정의 열처리를 실시하는 것에 의하여, 주강품의 전체를 결정립경이 작은 조직으로 함으로써, 모든 부위에서 열팽창계수가 낮은 주강품을 얻을 수 있으므로, 열적으로 안정적이고 또한 복잡한 형상이 필요한 대형의 부품 등에 적용할 수 있다.

[도 1] 주강품에 쿠라이오 처리를 실시한 후의 조직의 일례이다.
[도 2] 주강품에 재결정 처리를 실시한 조직의 일례이다.
[도 3] 주강품에 용체화 처리를 실시한 후의 조직의 일례이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 이하, 성분 조성에 관한 「%」는 특별히 규정하지 않는 한 「질량%」를 나타내는 것으로 한다. 먼저, 본 발명의 주강품의 성분 조성에 대하여 설명한다. 본 발명에 있어서는 특히 대형의 주강품에 대해서, 주강품 전체의 열팽창계수를 낮은 값으로 하기 위하여, 성분 조성을 엄밀하게 제어할 필요가 있다.

Ni는 열팽창계수를 저하시키는 원소이다. Ni량은 너무 많아도 너무 적어도 열팽창계수가 충분히 작아지지 않는다. 또한, Ni량이 너무 많으면 냉각에 의하여 마르텐사이트 변태를 일으키는 것이 곤란하게 된다. 대형의 주강품 전체에 걸쳐 열팽창계수를 낮은 값으로 하기 위하여는 Ni량을 좁은 범위로 제어할 필요가 있다. 구체적으로는, Ni는 31 내지 34%의 범위로 한다.

Co는 Ni와의 조합에 의하여 열팽창계수의 저하에 기여한다. 소망하는 열팽창계수를 얻기 위하여, Co의 범위는 2 내지 6%로 한다.

C는 오스테나이트에 고용되어 강도의 상승에 기여한다. 그러나, C는 재결정 처리 공정에서 매트릭스에 고용되고, 냉각시에 석출하여, 열팽창계수를 크게 한다. 열팽창계수를 0.2×10^-6/℃ 이하로 하기 위하여는 C의 석출량을 낮게 할 필요가 있다. 따라서, 그 양을 0.04% 이하로 한다.

Si, Mn, 및 Al는 탈산제로서 첨가된다. 본 발명에 있어서는 블로우홀이 없는 건전한 주강품을 만들기 위하여, 탈산에 필요한 최소한의 양을 각각 첨가하면 좋다. 첨가량은 각각, Si: 0.3% 이하, Mn: 0.5% 이하, 및 Al: 0.2% 이하로 한다.

성분 조성의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 불가피한 불순물이란, 본 발명에서 규정하는 성분 조성을 가진 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료나 제조 환경 등으로부터, 의도적으로 강에 함유시킨 것이 아니라, 불가피하게 혼입되는 것을 말한다.

구체적으로는, S, P, Cu, Cr 등을 들 수 있다. 이 원소들이 불가피하게 혼입되는 경우의 함유량은 P: 0.01% 이하, S: 0.01% 이하, Cu: 0.01% 이하, Cr: 0.01% 이하 정도이다. 또한, C, Si, Mn 및 Al도 함유를 의도하지 않아도 불가피한 불순물로서 혼입되는 경우가 있으나, 전술한 함유량의 범위이면 문제는 없다.

본 발명의 주강품의 조직은 평균 입자 지름이 200㎛ 이하인 오스테나이트 조직이다. 조직은 미세한 등축정을 중심으로 한다. 조직의 전부가 등축정일 필요는 없지만, 등축정의 비율이 면적율로 60% 이상인 것이 좋다. 등축정의 비율이 면적율로 90% 이상이면 더 좋고, 95% 이상이면 더 좋다.

대형의 주강품의 경우, 주강품의 모든 조직에 대하여, 평균 입자 지름이 200㎛ 이하인 오스테나이트 조직이 되는 것이 중요하다. 이것을 만족하지 않는 조직이 존재하면, 주강품 전체에서 낮은 열팽창계수를 얻을 수 없게 된다.

다음으로, 본 발명의 저열팽창 주강품의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 저열팽창 주강품의 제조에 사용하는 주형이나, 주형에의 용강의 주입 장치, 주입 방법은 특별히 한정되는 것이 아니고, 공지의 장치, 방법을 사용하면 된다. 주형으로 제조된 주강품의 조직은 주상정을 중심으로 한 조직이 된다. 이 주강품에, 이하의 열처리를 실시한다.

먼저, 주강품을, Ms점 이하까지 급랭하고, Ms점 이하의 온도에서 0.5 내지 3 시간 유지한 후, 실온까지 승온한다(쿠라이오 처리 공정). 냉각의 방법은 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로, Ms점은 강의 성분을 사용하여, 아래의 식으로 추정할 수 있다.

　Ms=521－353C－22Si－24.3Mn－7.7Cu－17.3Ni－17.7Cr－25.8Mo

이 때, C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo는 각 원소의 함유량 (질량%)이다. 함유하지 않는 원소는 0으로 한다.

본 발명의 저열팽창 주강품의 성분 조성의 경우, 상기 식에서 계산되는 Ms점은 특히 Ni량에 의존하는데, －10℃ 내지 -70℃ 정도가 되므로, 냉각 매체로서는, 드라이아이스와 메틸 알코올 또는 에틸 알코올, 액체 질소에 침지하는 방법, 또는 액체 질소를 분무하는 방법이 사용될 수 있다. 이에 의하여, 미세한 마르텐사이트를 함유한 조직이 형성된다. 또한, 승온은 실온의 대기 중으로 끌어올림으로써 실시하면 된다. 도 1에, 쿠라이오 처리 공정 후의 조직의 예를 나타낸다.

다음으로, 주강품을 800 내지 1100℃까지 재가열하고, 800 내지 1100℃에서 0.5 내지 5 시간 유지한다(재결정 처리 공정). 그 후, 650 내지 300℃의 사이의 냉각 속도를 30℃／분 이상으로 하여, 주강품을 냉각한다(냉각 공정). 이에 의하여, 마르텐사이트가 형성된 조직은 오스테나이트 조직으로 되돌아온다. 통상의 응고에 의하여 형성되는 조직의 결정립경은 1 내지 10 mm 정도이지만, 상기 쿠라이오 처리 공정과 그 후의 재결정 처리 공정, 냉각 공정을 거침으로써, 오스테나이트 조직은 등축정을 중심으로 한 평균 입자 지름이 200㎛ 이하가 되는 미세한 조직이 된다. 도 2에, 재결정 처리 공정 후의 조직의 예를 나타낸다.

본 발명에 있어서, 재결정 처리 공정의 냉각 속도는 극히 중요하다. 본 발명자들은 냉각 속도의 영향을 예의 검토하기 위하여, 대형의 주강품의 부위 및 두께가 다른 개소에 열전대를 매립하고, 냉각시의 온도를 실측함으로써 냉각 속도를 구하여 그 측정 부분부터 채취한 시험편의 열팽창계수를 측정하였다. 그 결과, 화학 성분을 상기의 범위로 하고, 오스테나이트 조직의 평균 입자 지름을 200㎛ 이하로 하고, 또한, 650 내지 300℃의 사이의 냉각 속도를 30℃／분 이상으로 함으로써, 18 내지 28℃에 있어서의 열팽창계수를 0.2×10^-6/℃ 이하로 하는 것이 가능한 것을 나타내었다.

쿠라이오 처리의 전에, 주강품을 800 내지 1100℃로 가열하여, 0.5 내지 5 시간 유지하고, 급랭하는 용체화 처리 공정을 두어도 된다. 용체화에 의하여, 주조시에 석출된 석출물이 고용되어, 연성, 인성이 향상된다. 도 3에, 용체화 처리를 실시한 후의 조직의 예를 나타낸다. 이 단계에서의 조직은 통상의 주강품과 같이, 주상정이 주체의 오스테나이트 조직이다.

쿠라이오 처리 공정의 전(용체화 처리 공정을 두었을 경우에는 용체화 처리 공정의 전)에, 또한 주강품을 1100 내지 1300℃에서 5 내지 50 시간 유지하는 확산 처리 공정을 구비하여도 좋다. 이에 의하여 강중의 Ni 및 불순물의 편석이 없어져, 큰 사이즈의 주강품이어도, 극히 낮은 열팽창계수를 가진 주강품을 더 안정적으로 제조할 수 있다.

쿠라이오 처리 공정과 재결정 처리 공정의 사이에, 재결정 오스테나이트 결정립을 더 미세화시키기 위하여, 주강품을 AC₃점 바로 아래의 300 내지 400℃로 가열하고, 300 내지 400℃에서 1 내지 10 시간 유지하는 마르텐사이트의 조질 처리를 실시하여도 된다(조질 처리 공정).

[실시예]

표 1에 나타내는 성분 조성이 되도록 조정한 용탕을 주형에 주탕 하고, 표 1에 기재된 중량, 최대 두께를 가지는 주강품을 제조하였다. 기재가 없는 Fe 이외의 원소의 함유량은 불가피한 불순물 수준인 것을 확인하였다.

제조한 주강품에 대하여,

(a) 쿠라이오 처리→재결정 처리

(b) 용체화 처리→쿠라이오 처리→재결정 처리

(c) 확산처리→쿠라이오 처리→재결정 처리

(d) 확산처리→용체화 처리→쿠라이오 처리→재결정 처리

(e) 확산처리→용체화 처리→쿠라이오 처리→조질 처리→재결정 처리

(f) 쿠라이오 처리→조질 처리→재결정 처리

(g) 용체화 처리

의 어느 하나의 열처리를 실시하여, 최종적인 주강품을 얻었다.

제조한 주강품의 각 위치에 있어서의 두께의 중심부로부터 시험편을 채취하고, 상기 열처리를 실시하여, 각 시험을 행하였다. 열팽창계수는 열팽창 측정기를 사용하여 18 내지 28℃의 평균 열팽창계수로서 구하였다. 오스테나이트 조직의 평균 결정립경은 관찰한 결정립의 원 상당 지름의 평균값으로서 구하였다. No.3, No.8및 No. 16에 대하여는 복수의 위치에 대하여 측정을 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명예의 주강품은 결정립경이 작고, 주강품 전체에 걸쳐 낮은 열팽창계수가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

성분 조성이, 질량%로,
C: 0.04% 이하,
Si: 0.3% 이하,
Mn: 0.5% 이하,
Al: 0.2% 이하,
Ni: 31 내지 34%, 및
Co: 2 내지 6%
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물이고,
오스테나이트 조직의 평균 결정립경이 200㎛ 이하이며,
모든 부위에서의 18 내지 28℃에 있어서의 열팽창계수가 0.2×10^-6/℃ 이하이고,
중량이 10 ㎏ 이상이며,
최대 두께가 35 mm 이상인 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품.
성분 조성이, 질량%로,
C: 0.04% 이하,
Si: 0.3% 이하,
Mn: 0.5% 이하,
Al: 0.2% 이하,
Ni: 31 내지 34%, 및
Co: 2 내지 6%
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물인 주강품을, Ms점 이하까지 냉각하고, Ms점 이하의 온도에서 0.5 내지 3 시간 유지한 후 실온까지 승온하는 쿠라이오 처리 공정과,
쿠라이오 처리를 실시한 주강품을, 800 내지 1100℃로 가열하고, 0.5 내지 5 시간 유지하는 재결정 처리 공정과,
재결정 처리를 실시한 주강품을, 650 내지 300℃의 사이에 있어서의 냉각 속도를 30℃／분 이상으로 급랭하는 냉각 공정을 순서대로 구비하는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 쿠라이오 처리 공정의 전에, 또한 주강품을 800 내지 1100℃로 가열하고, 0.5 내지 5 시간 유지하는 용체화 처리 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 쿠라이오 처리 공정의 전에, 또한 주강품을 1100 내지 1300℃에서 5 내지 50 시간 유지하는 확산 처리 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 용체화 처리 공정의 전에, 또한 주강품을 1100 내지 1300℃에서 5 내지 50 시간 유지하는 확산 처리 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품의 제조 방법.
제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 쿠라이오 처리 공정과 상기 재결정 처리 공정의 사이에, 또한 주강품을 300 내지 400℃에서 1 내지 10 시간 유지하는 조질 처리 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 저열팽창 주강품의 제조 방법.
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