WO2020195405A1 - 低温安定性に優れる低熱膨張合金およびその製造方法 - Google Patents

低温安定性に優れる低熱膨張合金およびその製造方法 Download PDF

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半田 卓雄
志民 劉
大山 伸幸
鷲尾 勝
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日本鋳造株式会社
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    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a low thermal expansion alloy having excellent low temperature stability and a method for producing the same.
  • the low thermal expansion alloy material is applied for the purpose of suppressing thermal deformation due to temperature changes of precision equipment in various advanced fields. If the coefficient of thermal expansion is zero, thermal deformation does not occur due to temperature changes, making it an ideal material.
  • Some parts such as aerospace equipment and measuring equipment operate in the low temperature range, and may be used at -100 ° C or lower. Even in such a low temperature range, there is no sudden change in the coefficient of thermal expansion due to structural changes, and the coefficient of thermal expansion between 100 ° C and -70 ° C can be regarded as virtually zero expansion at 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C.
  • An alloy material within the range of is desired.
  • SI Super Invar
  • Fe-Ni-Co-based low thermal expansion alloys typified by Super Invar (SI) are industrially used as low thermal expansion materials.
  • SI is a low expansion of Fe-36% Ni alloy (Invar) having a coefficient of thermal expansion near room temperature of 1 to 2 ppm / ° C by replacing a part of Ni with Co.
  • Invar has an Ms point of -196 ° C or lower, and the structure does not change even at -196 ° C or lower and maintains low thermal expansion. Therefore, the exposure temperature of Invar is lower than -100 ° C for aerospace equipment and measuring equipment. It can also be applied to.
  • the coefficient of thermal expansion is 1 to 2 ppm / ° C., which is larger than SI, and there is a large gap from zero expansion. Therefore, the effect of suppressing thermal deformation is insufficient, and there is a problem that it cannot meet high demands. (Paragraph 0024 of Patent Document 1).
  • the dendrite secondary arm spacing is set to 5 ⁇ m or less by irradiating an alloy powder having a specific composition with a laser or an electron beam to melt, rapidly solidify, and laminate, to 0.5 ppm / ° C or less. It has been proposed to achieve both the coefficient of thermal expansion of the above and the low temperature stability that could not be obtained by SI.
  • SI forms a martensite structure at a low temperature such as -100 ° C, and the coefficient of thermal expansion increases sharply.
  • Invar has a coefficient of thermal expansion of 1 to 2 ppm / ° C and has an effect of suppressing thermal deformation. Insufficient.
  • the low thermal expansion alloy of Patent Document 2 cannot be said to stably exhibit zero expansion, and cannot obtain the same low temperature stability as the Invar alloy. Therefore, a material that can realize zero expansion between 100 ° C. and ⁇ 70 ° C. and can obtain low temperature stability comparable to that of Invar alloy has not yet been obtained.
  • the average coefficient of thermal expansion between 100 ° C. and ⁇ 70 ° C. is 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C., which can be regarded as zero expansion, and a low thermal expansion alloy having the same low temperature stability as an Invar alloy can be obtained. And its manufacturing method.
  • the low thermal expansion alloy material having the composition according to (1) or (2) above is melted and solidified by a laser or an electron beam to form a laminate, and the average coefficient of thermal expansion at 100 to ⁇ 70 ° C. is 0.
  • a method for producing a low thermal expansion alloy which comprises producing a low thermal expansion alloy in the range of ⁇ 0.2 ppm / ° C. and having an Ms point of -196 ° C. or lower.
  • the average coefficient of thermal expansion between 100 ° C. and ⁇ 70 ° C. is 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C., which can be regarded as zero expansion, and low heat stability comparable to that of Invar alloy can be obtained.
  • Expansion alloys and methods for producing them are provided.
  • the largest factor that determines the coefficient of thermal expansion of Fe-Ni-Co-based low thermal expansion alloys is the Co content, but the addition of Co relatively reduces the Ni content and destabilizes austenite. , Ms rises.
  • the Ms point is around -40 ° C, so it cannot be applied at lower temperatures. Therefore, it is difficult to stably set the coefficient of thermal expansion to 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C. in the temperature range from around room temperature to ⁇ 70 ° C. as long as Co is used for low thermal expansion.
  • the present inventors have investigated a low thermal expansion technique that does not involve an increase in the Ms point due to Co, which is found in conventional Fe-Ni-Co low thermal expansion alloys.
  • C, Si, and Mn are reduced, the microstructure is reduced, and the dendrite secondary arm spacing is set to 5 ⁇ m or less, so that the temperature is between 100 ° C. and ⁇ 70 ° C.
  • the coefficient of thermal expansion of the above is 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C., which can be regarded as zero expansion, and low temperature stability comparable to that of Invar alloy can be obtained.
  • the present invention has been completed based on these findings.
  • the% representation of the components is mass%
  • is the average coefficient of thermal expansion of 100 to ⁇ 70 ° C.
  • C 0.015% or less
  • C is an element that significantly increases ⁇ of the low thermal expansion alloy according to the present invention, and is preferably low. If C is contained in excess of 0.015%, ⁇ exceeds the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C depending on the content of other elements described later, so the C content is set to 0.015% or less.
  • Si 0.10% or less
  • Si is an element added for the purpose of reducing oxygen in the alloy.
  • Si is an element that remarkably increases ⁇ of the low thermal expansion alloy according to the present invention, and it is desirable that it is low. If the content exceeds 0.10%, the increase in ⁇ cannot be ignored as in C. Therefore, the Si content is set to 0.10% or less.
  • Mn 0.15% or less
  • Mn is an element effective for deoxidation like Si.
  • Mn is an element that significantly increases ⁇ in the low thermal expansion alloy according to the present invention, and is preferably low. If the content exceeds 0.15%, the increase in ⁇ cannot be ignored as in C. Therefore, the Mn content is set to 0.15% or less.
  • Ni 35.0 to 37.0%
  • Ni is an element that determines the basic ⁇ of an alloy. In order to set ⁇ in the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C, it is necessary to adjust it to the range described later according to the amount of Co. When Ni is less than 35.0% or more than 37.0%, it is difficult to set ⁇ in the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C. even by adjusting according to the amount of Co and the production conditions described later. Therefore, the Ni content is set in the range of 35.0 to 37.0%.
  • Co Less than 2.0% Co is an important element that determines ⁇ together with Ni, and is an element added to obtain a smaller ⁇ than when Ni alone is added. However, when Co is 2.0% or more, the amount of Ni obtained based on the relational expression between the amount of Ni and the amount of Co described later decreases, and austenite becomes unstable, so that the Ms point becomes higher than -196 ° C. Therefore, the Co content is set to less than 2.0%. 1.0% or less is preferable from the viewpoint of eliminating the need for the prescribed management and measures of the Safety and Health Law Specialization Regulations.
  • Ni + 0.8Co 35.0-37.0%
  • the Fe—Ni—Co alloy can obtain remarkable low thermal expansion property in the above-mentioned Ni amount and Co amount range and in a certain range of Ni equivalent (Nieq.) Expressed by Ni + 0.8 ⁇ Co. Even if the Ni equivalent is less than 35.0% or more than 37.0%, ⁇ does not fall within the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C. Therefore, the Ni equivalent of Ni + 0.8Co is set in the range of 35.0 to 37.0%.
  • C ⁇ 7 + Si ⁇ 1.5 + Mn ⁇ 0.40 In the Fe—Ni—Co alloy of the present invention, the amount of C, the amount of Si, and the amount of Mn are defined in the above ranges, and the value of the formula represented by C ⁇ 7 + Si ⁇ 1.5 + Mn is 0.40 or less. Therefore, a remarkable low thermal expansion property is obtained. Therefore, it is preferable to set C ⁇ 7 + Si ⁇ 1.5 + Mn ⁇ 0.40.
  • the balance other than C, Si, Mn, Ni and Co is Fe and unavoidable impurities.
  • [Coagulation tissue] ⁇ can be reduced by making the solidified structure finer. The reason is considered to be that the microsegregation of Ni is reduced by the miniaturization of the structure as described above.
  • the solidified structure is refined so that the dendrite secondary arm (DAS) spacing is 5 ⁇ m or less.
  • DAS dendrite secondary arm
  • the low thermal expansion alloy according to the present invention has a low Co content, a Ni content of 35% or more, and has a fine solidification structure as described above. Therefore, the Ms point is -196 ° C. or lower, which is about the same as that of the Invar alloy. Therefore, excellent low temperature stability comparable to that of Invar alloy can be obtained.
  • the low thermal expansion alloy material having the above composition is melted and solidified by a laser or an electron beam to form a laminated structure.
  • the low thermal expansion alloy material is melted and then rapidly cooled, so that the DAS interval can be made into a fine structure of 5 ⁇ m or less.
  • the microsegregation of Ni is reduced, and ⁇ can be set in the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C.
  • any method can be applied as long as the melting / solidifying conditions for obtaining a fine solidified structure having a DAS of 5 ⁇ m or less can be realized.
  • an alloy powder is prepared as an alloy material having a composition within the above range, melted and solidified by a laser or an electron beam, and laminated to form an alloy having a DAS interval of 5 ⁇ m or less. be able to.
  • the cooling rate at the time of solidification of the alloy is 3000 ° C./sec. With the above, a fine solidified structure having a DAS interval of 5 ⁇ m or less can be obtained. A laser or electron beam will satisfy this cooling rate.
  • the cooling rate is insufficient to reduce the DAS to 5 ⁇ m or less even by the die casting having the highest cooling rate, much less the alloy of the present invention.
  • a copper alloy type capable of casting such a high melting point iron-based alloy as shown in FIG. 5 below, it is impossible to reduce the DAS to 5 ⁇ m or less, and the desired characteristics are obtained. That is impossible.
  • the average coefficient of thermal expansion between 100 ° C. and ⁇ 70 ° C. is 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C., which can be regarded as zero expansion, and low heat stability comparable to that of Invar alloy can be obtained.
  • An expansion alloy is obtained.
  • the low thermal expansion alloy according to the present invention can be applied to various precision equipment members operating in a low temperature region including the aerospace field, which has been restricted in application with the conventional low expansion alloy, and is highly applicable in the field. Greatly contributes to accuracy.
  • SI which is a Fe-Ni-Co-based low thermal expansion alloy
  • the low thermal expansion alloy according to the present invention has a low Co content of less than 2%, which can suppress an increase in material cost, and when the Co content is 1 mass% or less, only the Co content is indicated at the time of application. All that is required is that the prescribed management and measures of the Safety and Health Law Specialization Regulations are not required.
  • Samples were prepared by laminating the alloys of the chemical components and compositions shown in Table 1 and casting them into a pure copper mold.
  • the alloy having the chemical composition shown in Table 1 is melted in a high-frequency induction furnace, the molten metal is dropped using the atomizing apparatus shown in FIG. 1, and an inert gas (nitrogen gas in this example) is dropped from the nozzle. ) was sprayed to divide into droplets and rapidly solidify to obtain a spherical powder. Then, it was sifted to obtain a modeling powder having a particle size of 10 to 45 ⁇ m shown in FIG.
  • the modeling powder is laminated and modeled under the conditions of output 300 W, laser moving speed 1000 mm / sec, laser scanning pitch 0.1 mm, and powder layered thickness 0.04 mm, and a sample of ⁇ 10 ⁇ L100 is prepared. Made.
  • FIG. 3 shows the cooling rate of the sample estimated from the DAS measured by observing the microstructure of the sample of the present invention and the extrapolation line of the relationship between the DAS and the cooling rate described in Document 1 below.
  • the cooling rates of various molds obtained from the information of 2 to 4 are also shown.
  • R (DAS / 709) 1 / -0.386 ...
  • R Cooling rate (° C / min.)
  • DAS Dendrite secondary arm spacing ( ⁇ m)
  • Reference 1 “Cast Steel Production Technology” P378, Raw Material Center Reference 2: “Casting", Vol. 63 (1991) No. 11, P915 Reference 3: “Casting Engineering", Vol. 68 (1996) No. 12, P1076 Reference 4: “Shaping Material", Vol.54 (2013) No.1, P13
  • the sample was separated from the modeling base plate by a discharge wire cut, then machined into a thermal expansion test piece of ⁇ 6 x 50 mm, and used at 2 ° C / min with a laser interference type thermal expansion meter. The thermal expansion was measured while raising the temperature with, and ⁇ was obtained from the obtained thermal expansion curve.
  • the thermal expansion test piece was set in the thermal expansion meter, and liquid nitrogen was used at 3 ° C./min. The thermal expansion was measured while cooling with, and it was obtained from the temperature at which the thermal expansion curve changed abruptly.
  • the sample was immersed in liquid nitrogen for 15 minutes, and then the microstructure was observed to confirm the presence or absence of the martensite structure.
  • Example No. of the present invention in Table 1. 1 to 8 are those whose chemical composition and composition are within the range of the present invention and are manufactured by powder additive manufacturing, and all of them have an ⁇ of 0 ⁇ which is an average coefficient of thermal expansion between 100 and ⁇ 70 ° C. The range of 0.2 ppm / ° C. and the Ms point were -196 ° C. or lower.
  • No. 4 and No. No. 8 has a similar composition, but No. No. 4 has 7C + 1.5Si + Mn of 0.4 or less, and No. 8 is over 0.4. Comparing these, ⁇ was in the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C., but No. 7C + 1.5Si + Mn satisfied 0.4 or less. No. 4 is No. The value of ⁇ became smaller than 8.
  • FIG. 4 shows Example No. of the present invention. It is the optical micrograph of No. 7. From this optical micrograph, No. As a result of actually measuring the DAS of 7, it was 1.4 ⁇ m and 5 ⁇ m or less. Further, the value of the DAS, the cooling rate is 1.5 ⁇ 10 5 °C / sec. Estimated.
  • the alloy of the present invention has characteristics that can meet the strict requirements in the aerospace field.
  • No. of Comparative Example A Nos. 11 to 17 are No. 1 of the invention examples, respectively. It has the same chemical composition and composition as 1 to 7, but it is cast in a pure copper mold and has a DAS of more than 5 ⁇ m, which is outside the scope of the present invention.
  • FIG. 5 shows No. 5 of Comparative Example A. It is an optical microscope photograph of 17, and from this photograph, No. The actual measurement result of DAS when cast into 17 pure copper molds was 16 ⁇ m. Therefore, No. In all of 11 to 17, ⁇ was out of the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C.
  • Nos. 18 to 24 have chemical components and compositions outside the scope of the present invention, and are obtained by laminating molding and casting into a pure copper mold to prepare a sample.
  • No. In 18, C is No. In No. 19, Si is No. In No. 20, Mn is No. Since the Ni and Ni equivalents of No. 22 exceeded the upper limit, ⁇ was a value outside the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C. regardless of the production method.
  • was a value outside the range of 0 ⁇ 0.2 ppm / ° C., and the Ms point was higher than -196 ° C. regardless of the production method.
  • Comparative Example B No. Reference numeral 24 denotes SI of the conventional alloy, and the Ms point was higher than -196 ° C. regardless of the production method.

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Abstract

質量%で、C:0.015%以下、Si:0.10%以下、Mn:0.15%以下、Ni:35.0~37.0%、Co:2.0%未満を含有し、かつNi+0.8Co:35.0~37.0%であり、残部がFeおよび不可避不純物からなり、デンドライト2次アーム間隔が5μm以下である凝固組織を有し、100~-70℃の平均熱膨張係数が0±0.2ppm/℃の範囲で、かつMs点が-196℃以下である低熱膨張合金が提供される。

Description

低温安定性に優れる低熱膨張合金およびその製造方法
 本発明は、低温安定性に優れる低熱膨張合金およびその製造方法に関する。
 低熱膨張合金材料は、各種先端分野の精密装置の温度変化に伴う熱変形を抑える目的で適用される。熱膨張係数がゼロであれば温度変化に伴う熱変形が発生しないため理想的な材料となる。
 航空・宇宙機器や計測機器等の部材には低温域で稼働するものがあり、-100℃以下で使用される場合がある。このような低温域においても組織変化に伴う熱膨張係数の急激な変化がなく、100℃から-70℃の間の熱膨張係数が事実上ゼロ膨張とみなすことのできる0±0.2ppm/℃の範囲である合金材料が望まれている。
 現在、低熱膨張材料として、スーパーインバー(SI)に代表されるFe-Ni-Co系低熱膨張合金が工業的に利用されている。SIは、室温付近の熱膨張係数は1~2ppm/℃であるFe-36%Ni合金(インバー)のNiの一部をCoに置き換えることで低膨張化させたもので、Fe-32%Ni-5%Co合金であり、室温付近の熱膨張係数は1ppm/℃以下になる。
 このため、SIは熱変形による精度低下を抑える目的で精密装置部材に適用される。しかし、NiをCoで置換することによりNi量が低下してオーステナイトが不安定化し、マルテンサイト生成開始温度(以下、Ms点と記す)が高温側に移動する。SIのMs点は不純物量によって多少変化するが、概ね‐40℃前後まで上昇する。したがって、この温度以下ではマルテンサイト組織を生成して熱膨張係数が急激に増加し、低熱膨張性を失うため、低温域で稼働する航空・宇宙機器や計測機器等の部材への適用が制限される(特許文献1の段落0003、0034)。当然のことながら、100℃から-70℃の温度範囲でのゼロ膨張を実現することはできない。
 一方、インバーは、Ms点が-196℃以下であり、-196℃以下でも組織が変化せず低熱膨張性を保持するため、暴露温度が-100℃より低温となる航空・宇宙機器や計測機器等にも適用可能である。しかし、熱膨張係数が1~2ppm/℃でSIより大きく、ゼロ膨張とは大きく隔たりがあるため熱変形抑制効果が不十分であり、高度な要求に対応できないという問題があり、超精密装置部材への適用が制限される(特許文献1の段落0024)。
 また、特許文献2では、特定組成の合金粉末にレーザーまたは電子ビームを照射して溶融・急速凝固および積層造形することによりデンドライト2次アーム間隔を5μm以下とすることにより、0.5ppm/℃以下の熱膨張係数およびSIでは得られなかった低温安定性の両立を図ることが提案されている。
 しかし、特許文献2の実施例によると、No.7を除いて熱膨張係数は0.4ppm/℃前後であり、安定してゼロ膨張を示す材料は得られていない。また、低温域で稼働する機器は、低温安定性が得られる温度が低ければ低いほどよく、インバー合金と同等の安定性が望まれるが、特許文献2の合金では、インバー合金と同等のMs点-196℃以下を安定して得ることはできていない。
特開2011-174854号公報 国際公開第2019/044093号
 以上のように、SIは-100℃のような低温においてはマルテンサイト組織を生成して熱膨張係数が急激に増加し、インバーは熱膨張係数が1~2ppm/℃で、熱変形抑制効果が不十分である。さらに、特許文献2の低熱膨張合金は、安定してゼロ膨張を示すとはいえず、かつインバー合金と同程度の低温安定性は得られない。したがって、100℃から-70℃の間でゼロ膨張を実現でき、かつインバー合金と同程度の低温安定性が得られる材料は未だ得られていない。
 本発明は、100℃から-70℃の間の平均熱膨張係数がゼロ膨張とみなすことができる0±0.2ppm/℃であり、インバー合金と同程度の低温安定性が得られる低熱膨張合金およびその製造方法を提供することを目的とする。
 本発明によれば、以下の(1)~(4)が提供される。
 (1)質量%で、
 C:0.015%以下、
 Si:0.10%以下、
 Mn:0.15%以下、
 Ni:35.0~37.0%、
 Co:2.0%未満を含有し、
 かつNi+0.8Co:35.0~37.0%であり、
 残部がFeおよび不可避不純物からなり、デンドライト2次アーム間隔が5μm以下である凝固組織を有し、100~-70℃の平均熱膨張係数が0±0.2ppm/℃の範囲で、かつMs点が-196℃以下であることを特徴とする低熱膨張合金。
 (2)C、Si、Mnの含有量が、C×7+Si×1.5+Mn≦0.40を満足することを特徴とする上記(1)に記載の低熱膨張合金。
 (3)上記(1)または(2)に記載の組成を有する低熱膨張合金素材を、レーザーまたは電子ビームによって、溶融・凝固させて積層造形させ、100~-70℃の平均熱膨張係数が0±0.2ppm/℃の範囲で、かつMs点が-196℃以下の低熱膨張合金を製造することを特徴とする低熱膨張合金の製造方法。
 (4)前記低熱膨張合金素材は、粉末であることを特徴とする上記(3)に記載の低熱膨張合金の製造方法。
 本発明によれば、100℃から-70℃の間の平均熱膨張係数がゼロ膨張とみなすことができる0±0.2ppm/℃であり、インバー合金と同程度の低温安定性が得られる低熱膨張合金およびその製造方法が提供される。
本発明の実施例に用いたアトマイズ装置を示す概念図である。 図1のアトマイズ装置により得られた球状粉末を示す光学顕微鏡写真である。 DASと冷却速度との関係を示す図である。 本発明組成合金のレーザー積層造形物のDASを示す写真である。 純銅型鋳造物のDASを示す写真である。 純銅型を示す図である。
 上述のように、Fe-Ni-Co系低熱膨張合金の熱膨張係数を決定する最大の要因はCoの含有量であるが、Co添加により相対的にNi量が低下してオーステナイトが不安定化し、Msが上昇する。最も低熱膨張となる32%Ni-5%CoのSIではMs点が‐40℃前後となるため、これより低温での適用ができない。したがって、Coで低熱膨張化を図る限り室温付近から-70℃の温度範囲で安定して熱膨張係数を0±0.2ppm/℃にすることは困難である。
 本発明者らは、従来のFe-Ni-Co系低熱膨張合金に見られるCoによるMs点上昇を伴わない低熱膨張化技術について検討した。その結果、Fe-36%Ni組成を基本として、C、Si、Mnを低減するとともに、ミクロ組織を小さくしてデンドライト2次アーム間隔を5μm以下とすることにより、100℃から-70℃の間の熱膨張係数がゼロ膨張とみなすことができる0±0.2ppm/℃で、かつインバー合金と同程度の低温安定性が得られることを見出した。
 本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
 以下、本発明の限定理由について、化学成分および製造条件に分けて説明する。
 なお、以下の説明において、特に断わらない限り成分における%表示は質量%であり、αは100~-70℃の平均熱膨張係数である。
 [化学成分]
 C:0.015%以下
 Cは本発明に係る低熱膨張合金のαを著しく増加させる元素であり、低いことが望ましい。Cは0.015%を超えて含有すると、後述する他の元素の含有量によってもαが0±0.2ppm/℃の範囲を超えるため、C含有量を0.015%以下とする。
 Si:0.10%以下
 Siは合金中の酸素を低減する目的で添加する元素である。しかし、Siは本発明に係る低熱膨張合金のαを著しく増加させる元素であり、低いことが望ましい。その含有量が0.10%超ではCと同様にαの増加が無視できなくなる。したがって、Si含有量を0.10%以下とする。
 Mn:0.15%以下
 MnはSiと同様に脱酸に有効な元素である。しかし、Mnは本発明に係る低熱膨張合金において、αを著しく増加させる元素であり、低いことが望ましい。その含有量が0.15%を超えるとCと同様にαの増加が無視できなくなる。したがって、Mn含有量を0.15%以下とする。
 Ni:35.0~37.0%
 Niは合金の基本的なαを決定する元素である。αを0±0.2ppm/℃の範囲にするためには、Co量に応じて後述の範囲に調整する必要がある。Niが35.0%未満、または37.0%超では、Co量に応じた調整および後述する製造条件によってもαを0±0.2ppm/℃の範囲にすることは困難である。したがって、Niの含有量を35.0~37.0%の範囲とする。
 Co:2.0%未満
 CoはNiとともにαを決定する重要な元素であり、Ni単独添加の場合より小さなαを得るために添加する元素である。しかし、Coが2.0%以上では後述のNi量とCo量の関係式に基づいて得られるNi量が減少し、オーステナイトが不安定化するため、Ms点が-196℃より高温になる。したがって、Coの含有量を2.0%未満とする。安衛法特化則の所定の管理・対策を不要にする観点からは1.0%以下が好ましい。
 Ni+0.8Co:35.0~37.0%
 Fe-Ni-Co合金は、前記のNi量、Co量の範囲でかつ、Ni+0.8×Coで表されるNi当量(Nieq.)が一定範囲において顕著な低熱膨張性が得られる。Ni当量は、35.0%未満でも、37.0%超でも、αが0±0.2ppm/℃の範囲に入らなくなる。したがって、Ni当量であるNi+0.8Coを35.0~37.0%の範囲とする。
 C×7+Si×1.5+Mn≦0.40
 本発明のFe-Ni-Co合金において、C量、Si量およびMn量を上記範囲に規定した上で、C×7+Si×1.5+Mnで表される式の値を0.40以下とすることにより、顕著な低熱膨張性が得られる。したがって、C×7+Si×1.5+Mn≦0.40とすることが好ましい。
 本発明において、C、Si、Mn、Ni、Co以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
 [凝固組織]
 凝固組織を微細化することによりαを小さくすることができる。その理由は、前述のように、組織の微細化によってNiのミクロ偏析が軽減するためであると考えられる。本発明に係る低熱膨張合金は、デンドライト2次アーム(DAS)間隔が5μm以下となるように凝固組織を微細化する。上記組成の合金においてDAS間隔を5μm以下とすることにより、αを0±0.2ppm/℃の範囲とすることができる。
 [Ms点]
 本発明に係る低熱膨張合金は、Co含有量が少なくNi含有量が35%以上で、かつ上述のような微細な凝固組織を有することから、Ms点がインバー合金と同程度の-196℃以下であり、インバー合金と同程度の優れた低温安定性が得られる。
 [製造条件]
 上記組成を有する低熱膨張合金素材を、レーザーまたは電子ビームによって、溶融・凝固させて積層造形させる。これにより低熱膨張合金素材が溶融された後、急冷され、DAS間隔を5μm以下の微細な組織とすることができる。これによりNiのミクロ偏析が軽減し、αを0±0.2ppm/℃の範囲とすることができる。ただし、DASが5μm以下の微細な凝固組織が得られる溶融・凝固条件を実現できれば、いずれの方法も適用可能である。
 具体的には、上記範囲内の組成を有する合金素材として合金粉末を準備し、レーザーまたは電子ビームによって、溶融・凝固させて積層造形させることによりDAS間隔を5μm以下の微細凝固組織の合金とすることができる。
 積層造形においては、合金の凝固時の冷却速度を3000℃/sec.以上とすることにより、DAS間隔が5μm以下の微細凝固組織を得ることができる。レーザーまたは電子ビームであれば、この冷却速度を満たす。
 一方、後掲の図3に示すように、従来の鋳造プロセスの中では、最も冷却速度が大きいダイカストによってもDASを5μm以下とするには冷却速度が不十分であり、まして本発明の合金のような高融点の鉄系合金の鋳造が可能である銅合金型の場合には、後掲の図5に示すように、DASを5μm以下にすることは到底できず、所期の特性を得ることは不可能である。
 本発明によれば、100℃から-70℃の間の平均熱膨張係数がゼロ膨張とみなすことができる0±0.2ppm/℃であり、インバー合金と同程度の低温安定性が得られる低熱膨張合金が得られる。
 本発明に係る低熱膨張合金は、従来の低膨張合金では適用が制限されていた、航空・宇宙分野を始めとする低温域で稼働する各種精密装置部材への適用が可能となり、当該分野における高精度化に大きく貢献する。
 また、Fe-Ni-Co系低熱膨張合金であるSIでは、Coを5%程度含有しているため、材料費が高くなるとともに、安衛法特化則の1%超Co含有物質に該当し、所定の管理・対策が必要となる。これに対して、本発明に係る低熱膨張合金は、Coが2%未満と少なく、材料費の高騰を抑制できるとともに、Coが1mass%以下の場合は、その適用に際してCo含有の表示のみを行えばよく、安衛法特化則の所定の管理・対策が不要となる。
 以下、本発明の実施例について説明する。
 表1に示す化学成分および組成の合金の積層造形、ならびに純銅型への鋳造によって試料を作製した。
 積層造形の試料は、表1に示す化学組成の合金を高周波誘導炉で溶解し、図1に示すアトマイズ装置を用いて、溶融した金属を滴下し、ノズルから不活性ガス(本例では窒素ガス)を噴霧することで液滴に分断するとともに急速凝固させて球状粉末を得た。その後、ふるい分けして図2に示す粒径10~45μmの造形用粉末を得た。レーザー式積層造形装置を用いて、出力300W、レーザー移動速度1000mm/秒、レーザー走査ピッチ0.1mm、粉末積層厚さ0.04mmの条件で造形用粉末を積層造形し、φ10×L100の試料を作製した。
 鋳造の試料は、高周波誘導炉で溶解した合金溶湯約100gを、鋳込み温度1550℃で図6に示す純銅型に鋳造し、鋳型底の先端部から採取した。
 図3は、本発明試料の光学顕微鏡組織観察によって実測したDASと、以下の文献1に記載のDASと冷却速度の関係の外挿線から、試料の冷却速度を推定するもので、以下の文献2~4の情報から得られた各種鋳型の冷却速度も併記した。
    R=(DAS/709)1/-0.386 ・・・(1)
R:冷却速度(℃/min.)、DAS:デンドライト2次アーム間隔(μm)
 文献1:「鋳鋼の生産技術」P378、素形材センタ―
 文献2:「鋳物」、第63巻(1991)第11号、P915
 文献3:「鋳造工学」、第68巻(1996)第12号、P1076
 文献4:「素形材」、Vol.54(2013)No.1、P13
  試料は造形用ベースプレートから放電ワイヤーカットで切り離した後、φ6×50mmの熱膨張試験片に機械加工し、レーザー干渉式熱膨張計を用いて2℃/min.で昇温しながら熱膨張を測定し、得られた熱膨張曲線からαを求めた。
 また、Ms点は前記熱膨張試験片を前記熱膨張計にセットし、液体窒素により3℃/min.で冷却しながら熱膨張を測定し、熱膨張曲線が急激に変化した温度から求めた。
 前記の測定で熱膨張曲線の急激な変化が認められなかった試料については、液体窒素に15分間浸漬した後、ミクロ組織を観察し、マルテンサイト組織の有無を確認した。
 表1の本発明例No.1~8は、化学成分および組成が本発明の範囲内であり、かつ粉末積層造形により製造されたものであり、いずれも、100~-70℃間の平均熱膨張係数であるαが0±0.2ppm/℃の範囲およびMs点が-196℃以下であった。No.4およびNo.8は、類似組成であるが、No.4は7C+1.5Si+Mnが0.4以下であり、No.8が0.4を超えている。これらを比較すると、αがいずれも0±0.2ppm/℃の範囲内であったが、7C+1.5Si+Mnが0.4以下を満たすNo.4のほうがNo.8よりもαの値が小さくなった。
 図4は本発明例No.7の光学顕微鏡写真であるが、この光学顕微鏡写真からNo.7のDASを実測した結果、1.4μmと5μm以下であった。また、このDASの値から、冷却速度は1.5×10℃/sec.と推定した。
 以上の結果から、本発明合金は航空・宇宙分野の厳しい要求にも応えられる特性を持っていることが確認された。
 一方、比較例AのNo.11~17は、それぞれ発明例のNo.1~7と化学成分および組成は同じであるが、純銅型に鋳造したものであり、DASが5μmを超えた本発明範囲外のものである。図5は比較例AのNo.17の光学顕微鏡写真であるが、この写真からNo.17の純銅型に鋳造した場合のDASを実測した結果16μmであった。このため、No.11~17のいずれもαが0±0.2ppm/℃の範囲を外れた。
 また比較例BのNo.18~24は化学成分および組成が本発明範囲外のもので、積層造形、ならびに純銅型に鋳造して試料を作製したものである。No.18はCが、No.19はSiが、No.20はMnが、No.22はNiおよびNi当量が上限超であったため、製造方法によらず、いずれもαが0±0.2ppm/℃の範囲を外れた値となった。No.23はCoが下限超であったため、製造方法によらず、いずれもαが0±0.2ppm/℃の範囲を外れた値となった。No.21はNiが下限未満であったため、製造方法によらず、αが0±0.2ppm/℃の範囲を外れた値となり、また、Ms点が-196℃より高温であった。比較例BのNo.24は従来合金のSIで、製造方法によらず、Ms点が-196℃より高温であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (4)

  1.  質量%で、
     C:0.015%以下、
     Si:0.10%以下、
     Mn:0.15%以下、
     Ni:35.0~37.0%、
     Co:2.0%未満を含有し、
     かつNi+0.8Co:35.0~37.0%であり、
     残部がFeおよび不可避不純物からなり、デンドライト2次アーム間隔が5μm以下である凝固組織を有し、100~-70℃の平均熱膨張係数が0±0.2ppm/℃の範囲で、かつMs点が-196℃以下であることを特徴とする低熱膨張合金。
  2.  C、Si、Mnの含有量が、C×7+Si×1.5+Mn≦0.40を満足することを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張合金。
  3.  請求項1または請求項2に記載の組成を有する低熱膨張合金素材を、レーザーまたは電子ビームによって、溶融・凝固させて積層造形させ、100~-70℃の平均熱膨張係数が0±0.2ppm/℃の範囲で、かつMs点が-196℃以下の低熱膨張合金を製造することを特徴とする低熱膨張合金の製造方法。
  4.  前記低熱膨張合金素材は、粉末であることを特徴とする請求項3に記載の低熱膨張合金の製造方法。
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