TW201608037A - 低熱膨脹鑄鋼品及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明可製得一種熱膨脹率低的鑄鋼品。本發明之低熱膨脹鑄鋼品的特徵在於：成分組成依質量%計，含有C：0.04%以下、Si：0.3%以下、Mn：0.5%以下、Al：0.2%以下、Ni：31~34%、及Co：2~6%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質，沃斯田體組織的平均結晶粒徑為200μm以下，18~28℃中的熱膨脹係數為0.2×10-6/℃以下。

Description

低熱膨脹鑄鋼品及其製造方法 發明領域

本發明是有關於一種具有低熱膨脹係數的低熱膨脹鑄鋼品及其製造方法。

發明背景

作為電子設備或半導體相關機器、雷射加工機、超精密加工機器的零件材料，已在廣泛使用熱穩定的恆範鋼合金(Invar alloy)。

專利文獻1中，揭示有一種含有Ni：29.5~35%、Co：2.0~7.0%、Cr：0.001~2.0%，且熱膨脹係數為0.5×10^-6/℃~2.0×10^-6/℃的低熱膨脹合金。在均質固溶處理後，進行淬火或是以1℃/sec以下的溫度冷卻並進行退火後，進行10%以上的冷軋加工，就可製得該合金。

專利文獻2中，揭示有一種含有Co：65%以下、Ni：30%以下、Cr：10%以下，且Co及Ni的總計含量為25~65%的低熱膨脹線。專利文獻2還揭示有一種藉由對低熱膨脹線進行冷加工，使沃斯田體相(austenite phase)的一部分變態為形變麻田散體相(strain-induced martensite phase)。

專利文獻3中，揭示有一種含有Ni：0.03~1.5%、 Ni與Co之總計：53~55%、Cr：9~10%的低熱膨脹合金。專利文獻3還揭示有一種以650~900℃將合金退火後，在爐內以未達20℃/min的速度進行冷卻的方法。

【先行技術文獻】 【專利文獻】

【專利文獻1】特許第2796966號公報

【專利文獻2】特開平6-279945號公報

【專利文獻3】特許第5534150號公報

【非專利文獻】

【非專利文獻1】鑄造技術講座編輯委員會編(1967)，鋼鑄物，日刊工業新聞社，p.3~32,

【發明概要】

一般來說，具有複雜形狀的構件中，從製造容易性的觀點來看，不採用機械加工或焊接，而是採用鑄鋼品。由於鑄鋼品是藉由將熔融金屬注入鑄模，便可製得小型零件到大型零件等任意形狀，因此有著容易製造的優點。

迄今為止，關於試驗片等級的恆範鋼合金，如前所述，已有各種發明。然而，還沒有報告指出所有部位的熱膨脹係數都呈現出低數值，尤其是諸如重量達10kg以上的大型鑄鋼品。這可想成是因為，以鑄模所進行之凝固中，雖然會在與鑄模壁面幾乎垂直的方向產生溫度梯度(temperature gradient)並從壁面向中心進行凝固，但尤其是 在大型或形狀複雜的場合，便難以將鑄鋼品全體形成均一組織的緣故。

本發明之課題在於解決上述問題，並提供一種即使大型到例如重量達10kg以上，所有部位中也都能具有低熱膨脹係數的鑄鋼品及其製造方法。

本發明人等針對尤其是即使大型到例如重量達10kg以上，所有部位的熱膨脹係數也都呈現出低數值的鑄鋼品製造方法積極地進行了檢討。結果發現，藉由將鑄造後的鑄鋼品強制冷卻到Ms點以下來使一部分或大部分進行麻田散體變態後，再次加熱將麻田散體組織進行沃斯田體化，然後，藉由以預定速度進行冷卻，若為通常的鑄鋼品的話，大小為1~10mm左右的沃斯田體晶粒的組織(參照例如非專利文獻1)，會遍及鑄鋼品全體，並且形成通常的凝固組織控制所無法製得的細微組織，其結果，可製造出一種即使鑄鋼品屬於大型，不管哪一部位的熱膨脹係數仍都很低的鑄鋼品。本發明是基於上述發現而作成，其要旨如下。

(1)一種低熱膨脹鑄鋼品，其特徵在於，成分組成依質量%計，含有C：0.04%以下、Ni：31~34%、及Co：2~6%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質，沃斯田體組織的平均結晶粒徑為200μm以下，18~28℃中的熱膨脹係數為0.2×10^-6/℃以下。

(2)如前述(1)之低熱膨脹鑄鋼品，其中重量為 10kg以上。

(3)如前述(1)或(2)之低熱膨脹鑄鋼品，其中最大厚度為35mm以上。

(4)一種低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其特徵在於依序具有：低溫處理步驟，將鑄鋼品冷卻至Ms點以下，並以Ms點以下的溫度保持0.5~3hr後，增溫至室溫，該鑄鋼品的成分組成依質量%計，含有C：0.04%以下、Ni：31~34%、及Co：2~6%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質；再結晶處理步驟，將已施加低溫處理的鑄鋼品加熱至800~1100℃，並保持0.5~5hr；及冷卻步驟，將650~300℃之間的冷卻速度設為30℃/min以上，對已施加再結晶處理的鑄鋼品進行急速冷卻。

(5)如前述(4)之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述低溫處理步驟之前，更具有將鑄鋼品加熱至800~1100℃，並保持0.5~5hr的固溶處理步驟。

(6)如前述(3)之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述低溫處理步驟之前，更具有將鑄鋼品以1100~1300℃保持5~50hr的擴散處理步驟。

(7)如前述(5)之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述固溶處理步驟之前，更具有將鑄鋼品以1100~1300℃保持5~50hr的擴散處理步驟。

(8)如前述(4)~(7)中任一之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述低溫處理步驟與前述再結晶處理步驟之間，更具有將鑄鋼品以300~400℃保持1~10hr的調質處 理步驟。

根據本發明，藉由對鑄造後的鑄鋼品施加預定的熱處理，令鑄鋼品全體成為結晶粒徑小的組織，藉此便可製得熱膨脹係數在所有部位都很低的鑄鋼品，因此可適用於熱穩定且需要複雜形狀的大型零件等。

圖1是對鑄鋼品施加低溫處理後的組織之一例。

圖2是對鑄鋼品施加再結晶處理後的組織之一例。

圖3是對鑄鋼品施加固溶處理後的組織之一例。

用以實施發明之形態

以下，針對本發明進行詳細說明。以下，與成分組成有關的「%」除非另有說明，否則都是表示「質量%」。首先，針對本發明之鑄鋼品的成分組成進行說明。本發明中，尤其是針對大型的鑄鋼品，為了要令鑄鋼品全體的熱膨脹係數成為低數值，必須嚴格控制成分組成。

Ni是使熱膨脹係數降低的元素。Ni量不管是過多過少都無法令熱膨脹係數充分變小。又，若Ni量過多，則會難以藉由冷卻來產生麻田散體變態。若要使熱膨脹係數遍及大型鑄鋼品全體都呈現出低數值，就必須將Ni量控制在狹窄範圍。具體而言，Ni要為31~34%的範圍。

Co藉由與Ni的組合，可有助於降低熱膨脹係數。若要得到期望的熱膨脹係數，Co的範圍要為2~6%。

C會固溶於沃斯田體，有助於提升強度。然而，C在再結晶處理步驟中會固溶於基質(matrix)，並在冷卻時析出，使熱膨脹係數變大。若要使熱膨脹係數為0.2×10^-6/℃以下，就必須降低C的析出量。因此，將其量設為0.04%以下。

Si、Mn、及Al是作為脫氧劑而被添加。本發明中，為了要作出沒有氣孔的健全鑄鋼品，只要各自添加脫氧所需的最小限度的量即可。添加量各自為Si：0.3%以下、Mn：0.5%以下、及Al：0.2%以下。

成分組成的剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。所謂不可避免的雜質是指，在工業性製造具有本發明規定之成分組成的鋼時，從原料或製造環境等，並非刻意的內含於鋼，而是不可避免的混入者。

具體而言，可舉S、P、Cu、Cr等。該等元素不可避免的混入時的含量為P：0.01%以下、S：0.01%以下、Cu：0.01%以下、Cr：0.01%以下左右。另外，即使不刻意含有C、Si、Mn、及Al，有時也會作為不可避免的雜質而混入，但只要在上述含量範圍的話就沒有問題。

本發明之鑄鋼品的組織是平均粒徑為200μm以下的沃斯田體組織。組織是以細微的等軸晶為中心。雖然不需要所有的組織都是等軸晶，但是等軸晶的比例以面積率計，宜為60%以上。等軸晶的比例以面積率計，為90%以上的話為較佳，為95%以上的話為更佳。

大型鑄鋼品的情況，鑄鋼品的所有組織都成為平 均粒徑為200μm以下的沃斯田體組織一事是很重要的。若存在不符合的組織，則無法在鑄鋼品全體都得到很低的熱膨脹係數。

接著，針對本發明之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法進行說明。

本發明之低熱膨脹鑄鋼品之製造所用的鑄模或是對鑄模注入熔鋼的注入裝置、注入方法並無特別受限，使用周知的裝置、方法即可。鑄模所製造的鑄鋼品的組織是以柱狀晶為中心的組織。對該鑄鋼品施加以下的熱處理。

首先，將鑄鋼品急速冷卻至Ms點以下，並以Ms點以下的溫度保持0.5~3hr後，增溫至室溫(低溫處理步驟)。冷卻方法無特別受限。一般而言，Ms點是用鋼的成分，可用下述算式來推定。

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

在此，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo是各元素的含量(質量%)。不含有的元素為0。

本發明之低熱膨脹鑄鋼品的成分組成的情況，以上式計算的Ms點尤其依存於Ni量，成為-10℃到-70℃左右，因此在冷卻介質方面可採用浸漬於乾冰與甲醇或乙醇、液態氮的方法，或是噴霧出液態氮的方法。藉此，便可形成含有細微麻田散體的組織。又，增溫只要拿到室溫的大氣中來進行即可。低溫處理步驟後的組織之一例顯示於圖1。

接著，將鑄鋼品再次加熱至800~1100℃，並以800~1100℃保持0.5~5hr(再結晶處理步驟)。之後，將650~300℃之間的冷卻速度設為30℃/min以上，來冷卻鑄鋼品(冷卻步驟)。藉此，形成有麻田散體的組織會變回沃斯田體組織。藉由通常的凝固所形成的組織的結晶粒徑為1~10mm左右，但經由上述低溫處理步驟、之後的再結晶處理步驟、冷卻步驟，沃斯田體組織就會成為以等軸晶為中心且平均粒徑成為200μm以下的細微組織。再結晶處理步驟後的組織之一例顯示於圖2。

本發明中，再結晶處理步驟的冷卻速度是極為重要的。本發明人等為了積極檢討冷卻速度的影響，而將熱電偶埋入大型鑄鋼品的不同部位及不同厚度處，並藉由實際測量冷卻時的溫度來求出冷卻速度，並測定從該測定處採取的試驗片的熱膨脹係數。其結果，發現將化學成分設為上述範圍，將沃斯田體組織的平均粒徑設為200μm以下，且將650~300℃之間的冷卻速度設為30℃/min以上，便可使得18~28℃中的熱膨脹係數為0.2×10^-6/℃以下。

低溫處理之前，可設置將鑄鋼品加熱至800~1100℃，保持0.5~5hr後進行急速冷卻的固溶處理步驟。藉由固溶處理，鑄造時析出的析出物會固溶，提高延展性、韌性。施加固溶處理後的組織之一例顯示於圖3。此階段的組織與通常的鑄鋼品相同，是以柱狀晶為主體的沃斯田體組織。

低溫處理步驟之前(設有固溶處理步驟時，則為固溶處理步驟之前)，可更具有將鑄鋼品以1100~1300℃保 持5~50hr的擴散處理步驟。鋼中的Ni及雜質的偏析將因此而消除，即使是大尺寸的鑄鋼品，也可更穩定地製造具有極低熱膨脹係數的鑄鋼品。

在低溫處理步驟與再結晶處理步驟之間，為了使再結晶沃斯田體晶粒更加細微化，可施加將鑄鋼品加熱至AC₃點之下的300~400℃，並以300~400℃保持1~10hr的麻田散體的調質處理(調質處理步驟)。

【實施例】

將調整成表1所示之成分組成的熔融金屬注入鑄模，製造出具有表1記載之重量、最大厚度的鑄鋼品。確認了未記載之Fe以外的元素含量為不可避免的雜質水平。

對製造出的鑄鋼品施加以下任一之熱處理，製得最終鑄鋼品。

(a)低溫處理→再結晶處理

(b)固溶處理→低溫處理→再結晶處理

(c)擴散處理→低溫處理→再結晶處理

(d)擴散處理→固溶處理→低溫處理→再結晶處理

(e)擴散處理→固溶處理→低溫處理→調質處理→再結晶處理

(f)低溫處理→調質處理→再結晶處理

(g)固溶處理

從製造出的鑄鋼品的各位置中的厚度中心部採取試驗片，施加前述熱處理，進行各試驗。熱膨脹係數是使用熱膨脹測定機，作為18~28℃的平均熱膨脹係數而求出。 沃斯田體組織的平均結晶粒徑是作為已觀察的晶粒的當量圓直徑平均值而求出。關於No.3、No.8及No.16，是針對複數位置進行測定。結果顯示於表1。

如表1所示，可確認到本發明例之鑄鋼品的結晶粒徑很小，且遍及鑄鋼品全體都可得到很低的熱膨脹係數。

Claims (8)

1. 一種低熱膨脹鑄鋼品，其特徵在於，成分組成依質量%計，含有C：0.04%以下、Si：0.3%以下、Mn：0.5%以下、Al：0.2%以下、Ni：31~34%、及Co：2~6%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質，沃斯田體組織的平均結晶粒徑為200μm以下，18~28℃中的熱膨脹係數為0.2×10^-6/℃以下。
2. 如請求項1之低熱膨脹鑄鋼品，其中重量為10kg以上。
3. 如請求項1或2之低熱膨脹鑄鋼品，其中最大厚度為35mm以上。
4. 一種低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其特徵在於依序具有：低溫處理步驟，將鑄鋼品冷卻至Ms點以下，並以Ms點以下的溫度保持0.5~3hr後，增溫至室溫，該鑄鋼品的成分組成依質量%計，含有C：0.04%以下、Si：0.3%以下、Mn：0.5%以下、 Al：0.2%以下、Ni：31~34%、及Co：2~6%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質；再結晶處理步驟，將已施加低溫處理的鑄鋼品加熱至800~1100℃，並保持0.5~5hr；及冷卻步驟，將650~300℃之間的冷卻速度設為30℃/min以上，對已施加再結晶處理的鑄鋼品進行急速冷卻。
5. 如請求項4之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述低溫處理步驟之前，更具有將鑄鋼品加熱至800~1100℃，並保持0.5~5hr的固溶處理步驟。
6. 如請求項3之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述低溫處理步驟之前，更具有將鑄鋼品以1100~1300℃保持5~50hr的擴散處理步驟。
7. 如請求項5之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述固溶處理步驟之前，更具有將鑄鋼品以1100~1300℃保持5~50hr的擴散處理步驟。
8. 如請求項4至7中任一項之低熱膨脹鑄鋼品之製造方法，其中在前述低溫處理步驟與前述再結晶處理步驟之間，更具有將鑄鋼品以300~400℃保持1~10hr的調質處理步驟。