WO2024014484A1 - 低熱膨張合金 - Google Patents

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WO2024014484A1
WO2024014484A1 PCT/JP2023/025751 JP2023025751W WO2024014484A1 WO 2024014484 A1 WO2024014484 A1 WO 2024014484A1 JP 2023025751 W JP2023025751 W JP 2023025751W WO 2024014484 A1 WO2024014484 A1 WO 2024014484A1
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thermal expansion
coefficient
less
amount
low thermal
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PCT/JP2023/025751
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Inventor
信吾 松村
晴康 大野
浩太郎 小奈
Original Assignee
新報国マテリアル株式会社
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to a low thermal expansion alloy, and particularly to a low thermal expansion alloy with excellent machinability.
  • Thermally stable invar alloys are widely used as component materials for electronics and semiconductor-related equipment, laser processing machines, and ultra-precision processing equipment.
  • conventional invar alloys have had a problem in that their practical use has been limited to quite narrow fields due to their low machinability.
  • Patent Document 1 discloses, as a means to solve this problem, that S is used as a free-cutting element, C: 0.05% or less, Si: 0.3% or less, Mn: 0.45 to 1. 2%, P: 0.5% or less, S: 0.015 to 0.035%, Ni: 33.0 to 34.5%, Co: 3.0 to 4.0%, with the remainder being substantially is made of iron, and when [Mn] is the weight% of Mn and [S] is the weight% of S, the average thermal expansion at room temperature is [Mn]/[S]: 15 or more.
  • a low thermal expansion alloy with excellent machinability and a coefficient of thermal expansion of 1.0 ⁇ 10 -6 /°C or less is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a cast iron having a graphite structure in an austenitic base iron using C as a free-cutting element, and contains 0.09% or more of solid solution carbon and 0.43% or less of silicon in weight percent. Low thermal expansion with less than 0% nickel, 29% to 34% nickel, 4% to 8% cobalt, balance iron, and a coefficient of thermal expansion of 4 x 10 -6 /°C or less in the temperature range of 0 to 200°C. Discloses cast iron.
  • Patent Document 3 discloses carbon 0.8 to 3.0%, silicon 1.0 to 3.0%, manganese 0.4 to 2.0%, and nickel 30.0 to 33%, using C as a free-cutting element. Discloses a cast iron characterized by containing 4.0 to 6.0% cobalt.
  • Alloys used for component parts of precision equipment are required to have excellent machinability from the viewpoint of ease of processing.
  • the machinability of alloys with low coefficients of thermal expansion leaves room for further improvement.
  • the present inventors have intensively studied a method for obtaining a low thermal expansion alloy with further improved machinability. As a result, it was found that by appropriately controlling the contents of Si, Mn, S, Ni, and Co, a low thermal expansion alloy with a small coefficient of thermal expansion and excellent machinability can be obtained.
  • the present invention was made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
  • a low thermal expansion alloy with excellent machinability can be obtained, so that it can be easily processed into components of precision equipment, for example.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating evaluation of tool wear amount in Examples.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating evaluation of chip friability in Examples.
  • C is an element that crystallizes as graphite in castings and improves machinability, but it is also an element that increases the coefficient of thermal expansion.
  • the amount of C is set to 0.050% or less in order to suppress an increase in the coefficient of thermal expansion.
  • it is 0.040% or less, more preferably 0.030% or less, still more preferably 0.020% or less.
  • Si 0.30-1.00%
  • Si is an element that improves machinability when combined with S. Since the thermal expansion coefficient increases as the Si content increases, the Si content is set to 0.30 to 1.00% in consideration of the balance between machinability and thermal expansion coefficient.
  • the lower limit of the amount of Si may be 0.40% or 0.50%.
  • the upper limit of the amount of Si may be 0.90% or 0.80%.
  • Mn 0.50-2.00%
  • Mn is an element that forms a compound with S and improves machinability. It is also an element that suppresses cracking during casting and forging. Since the thermal expansion coefficient increases as the Mn content increases, the Mn content is set to 0.50 to 2.00% in consideration of the balance between machinability and thermal expansion coefficient.
  • the lower limit of the Mn amount may be 0.60%, 0.70%, or 0.80%.
  • the upper limit of the Mn amount may be 1.90%, 1.80%, or 1.70%.
  • S 0.030-0.150%
  • S is an element that forms a compound with Mn and improves machinability.
  • the amount of S increases, S segregates at grain boundaries, making the alloy brittle, and cracks are more likely to occur during casting and forging.
  • the amount of S is set to 0. 0.030 to 0.150%.
  • the lower limit of the amount of S may be 0.040%, 0.050%, or 0.060%.
  • the upper limit of the S amount may be 0.140%, 0.130%, or 0.120%.
  • Ni is an element that lowers the coefficient of thermal expansion.
  • the low thermal expansion alloy of the present invention has an average coefficient of thermal expansion of 3.0 ⁇ 10 -6 /°C or less between 25 and 100°C. This coefficient of thermal expansion is mainly obtained by adjusting the contents of Ni and Co within appropriate ranges. If the amount of Ni is too large or too small, the coefficient of thermal expansion will not become sufficiently small. In order to make the coefficient of thermal expansion sufficiently small, the amount of Ni is set to 27.00 to 38.00%.
  • the lower limit of the Ni content may be 28.00%, 29.00%, or 30.00%.
  • the upper limit of the Ni amount may be 37.00%, 36.00%, or 35.00%.
  • Co contributes to lowering the coefficient of thermal expansion in combination with Ni.
  • the Co content may be zero.
  • the range of Co is 0 to 12.00%.
  • the upper limit of the Co amount may be 11.00%, 10.00%, or 8.00%.
  • sol.Al 0.003-0.100%
  • Al is an element that improves machinability. Since it is also an element that increases the coefficient of thermal expansion, considering the balance between machinability and coefficient of thermal expansion, sol.
  • the amount of Al is 0.003 to 0.100%.
  • sol. Al refers to acid-soluble Al that is not in the form of an oxide such as Al 2 O 3 and is soluble in acid. sol.
  • the Al content is determined as Al measured by subtracting the undissolved residue on the filter paper generated during the Al analysis process. sol.
  • the lower limit of the amount of Al may be 0.010%, 0.020%, or 0.030%. sol.
  • the upper limit of the amount of Al may be 0.090%, 0.080%, or 0.070%.
  • O is an element contained as an impurity and is not an essential element, and the lower limit is 0.
  • O When O combines with Al, it forms alumina. Alumina is hard and accelerates tool wear. Furthermore, due to the formation of alumina, sol. The amount of Al decreases and machinability decreases. Therefore, the amount of O is set to 0.010% or less. Preferably it is 0.008% or less, more preferably 0.007% or less, even more preferably 0.006% or less.
  • the remainder of the component composition is Fe and impurities.
  • impurities refers to elements that are unavoidably mixed in from raw materials, the manufacturing environment, etc. during the industrial production of castings having the composition specified in the present invention, and are elements other than those mentioned above that are mixed in. However, it does not impair the machinability and coefficient of thermal expansion of the low thermal expansion alloy of the present invention.
  • P is 0.050% or less.
  • the low thermal expansion alloy of the present invention further has the following content of [Mn], [S], [Ni], [Co], and [Si] expressed in mass %. satisfies the formula.
  • [Mn]/[S] is set to 10.0 or more so that S sufficiently forms a compound with Mn and improves machinability. Preferably it is 15.0 or more, more preferably 20.0 or more, still more preferably 30.0 or more.
  • a small [Mn]/[S] means that the amount of S is relatively large compared to the amount of Mn, which increases the amount of S that segregates at grain boundaries, making it easier for cracks to occur during casting and forging. there is a possibility.
  • Ni and Co are elements that reduce the coefficient of thermal expansion, but by optimizing their combination, the coefficient of thermal expansion can be further reduced, reducing [Ni] + 0.4 [Co] to 32.0 ⁇ 38.0%.
  • the lower limit of [Ni]+0.4[Co] is preferably 32.5%, more preferably 33.0%.
  • the upper limit of [Ni]+0.4[Co] is preferably 37.0%, more preferably 36.0%, and still more preferably 35.0%.
  • Si and Mn are elements that improve machinability, but since they increase the coefficient of thermal expansion, the total amount is set to 2.50% or less. Preferably it is 2.30% or less, more preferably 2.00% or less.
  • the low thermal expansion alloy of the present invention has an average coefficient of thermal expansion of 3.0 ⁇ 10 -6 /°C or less between 25 and 100°C. As mentioned above, this coefficient of thermal expansion is mainly obtained by adjusting the Ni and Co contents within appropriate ranges.
  • the average coefficient of thermal expansion from 25 to 100°C is 2.80 ⁇ 10 -6 /°C or less, 2.60 ⁇ 10 -6 /°C or less, 2.40 ⁇ 10 -6 /°C or less, 2.20 ⁇ 10 - 6 /°C or less, 2.00 ⁇ 10 -6 /°C or less, or 1.80 ⁇ 10 -6 /°C or less.
  • the thermal expansion coefficient is measured using a thermal expansion measuring device in the range of -1 to 130°C at a heating rate of 3°C/min.
  • a thermal expansion measuring device TD5030S manufactured by BRUKER can be used.
  • the low thermal expansion alloy of the present invention is (1) Melt and solidify raw materials adjusted to the desired composition to produce cast products, (2) The obtained cast product is subjected to solution treatment, (3) Manufactured by a manufacturing method that includes a step of applying stress relief annealing to a cast product that has been subjected to solution treatment.
  • the cast product obtained by the above manufacturing method may be forged to produce a forged product.
  • Forging is performed after producing the cast alloy and before solution treatment. That is, the low thermal expansion alloy of the present invention is produced by: (1) melting and solidifying raw materials adjusted to have a desired composition to produce a cast product; (2) Forging the obtained cast product, (3) Solution treatment is applied to the forged product after forging, (4)
  • the forged product may be manufactured by a manufacturing method that includes a step of applying stress relief annealing to a forged product that has been subjected to solution treatment.
  • the mold used for manufacturing the cast product, the device and method for injecting the molten alloy into the mold are not particularly limited, and any known device or method may be used.
  • the cast product is heated to 750 to 850°C, maintained for 0.5 to 3 hr, and then rapidly cooled.
  • the cooling rate is preferably 10°C/min or more, more preferably 100°C/min or more. Solution treatment can reduce the coefficient of thermal expansion.
  • Stress relief annealing is carried out at 300 to 350°C for 1 to 5 hours, followed by air cooling.
  • Solution treatment and stress relief annealing may be performed after forging instead of after casting.
  • the cast product When forging a cast product, the cast product is heated to 1050 to 1250°C in a heating furnace, and then hot forged.
  • the training ratio at that time is preferably 3 or more. Even when subjected to hot forging, the low thermal expansion characteristics of the low thermal expansion alloy of the present invention are substantially maintained. Further, it is also possible to process the film to a thickness of 0.1 to 10 mm by hot rolling and cold rolling. Even in that case, the low thermal expansion characteristics are almost maintained.
  • the alloy has the composition of the present invention, as described above, it is possible to obtain a low thermal expansion alloy with excellent machinability without using any special manufacturing method.
  • the low thermal expansion alloy of the present invention By processing the low thermal expansion alloy of the present invention (including cast products and forged products), alloy parts used for, for example, electronics and semiconductor-related equipment, laser processing machines, and ultra-precision processing equipment can be obtained.
  • the low thermal expansion alloy of the present invention is thermally stable and has excellent machinability, so it is suitable as a material for alloy parts.
  • a cast product (Y-shaped sample material and 10 kg of ingot) adjusted to have the composition shown in Table 1 was melted.
  • the obtained ingots were heated to 1200°C in a heating furnace and then hot forged to produce forged products (40 mm square bars). did.
  • the training ratio was set to 5 or higher.
  • the obtained cast products and forged products were each subjected to solution treatment by heating to 800°C and holding for 1.5 hours, and after the solution treatment, stress annealing treatment was performed by holding at 300°C for 3 hours and air cooling. did.
  • test piece for measuring the coefficient of thermal expansion and a test piece for evaluating machinability were taken from each of the cast and forged products after stress annealing treatment.
  • the thermal expansion coefficient was measured using a thermal expansion measuring device (BRUKER TD5030S) in the range of -1 to 130°C at a heating rate of 3°C/min, and the average thermal expansion coefficient from 25°C to 100°C was determined. I asked for
  • test pieces for machinability evaluation were prepared using a drill with a drill diameter of ⁇ 2.6 mm (cobalt HSS, TiN coating), water-soluble cutting fluid, and cutting speed: Drilling to a depth of 13 mm (non-step machining) was performed at a feed rate of 45 m/min and a feed rate of 0.052 mm/min for evaluation.
  • Machinability was evaluated by tool wear amount and chip crushability.
  • the amount of tool wear will be explained with reference to FIG. Regarding the amount of tool wear, for the drill after drilling 100 holes, as shown in Figure 1, the distance from the point where the base material of the drill is visible (1) to the cutting edge (2), and the amount of tool wear is 0.05 mm or less. In this case, it was judged as being good. Note that “drilling not possible” in Table 2 indicates that the drill was found to be broken or missing, or abnormal noises were generated during drilling, and it was determined that drilling was not possible. Furthermore, in the examples described as "forging cracks,” cracks occurred during forging, so evaluations of thermal expansion coefficient, tool wear amount, and chip crushability were not performed.
  • FIG. 2 shows an example in which the chip breakability is good
  • FIG. 2(b) shows an example in which the chip breakability is poor
  • "x elongation" in Table 2 means that more than 20% of the chips were chipped and the length exceeded 1 cm.
  • No. Nos. 1 to 14 are invention examples, which have a small coefficient of thermal expansion, good tool wear and chip crushability, and the low thermal expansion alloy of the present invention has good machinability for both cast and forged products. This was confirmed.
  • No. No. 15 had a small amount of Si and a large amount of tool wear.
  • No. No. 16 had a large amount of Si, and also had a large [Si]+[Mn], and a large coefficient of thermal expansion.
  • Sample No. 17 had a small amount of Mn, and also had a small [Mn]/[S], and suffered from forging cracks.
  • No. No. 18 had a large amount of Mn, and also had a large [Si]+[Mn], and a large thermal expansion coefficient.
  • Sample No. 19 had a small amount of S, a large amount of tool wear, and poor chip breakability.
  • No. No. 20 had a large amount of S and also had a small [Mn]/[S] ratio, and forging cracks occurred.
  • No. No. 21 had a small amount of Ni and a large coefficient of thermal expansion.
  • No. No. 22 had a large amount of Ni and a large coefficient of thermal expansion.
  • No. No. 23 had a large amount of Co and a large coefficient of thermal expansion.
  • No. 24 is sol.
  • the amount of Al was small and the amount of O was also large, resulting in a large amount of tool wear.
  • No. No. 26 had a small [Ni]+0.4[Co] and a large coefficient of thermal expansion.
  • No. No. 28 had a large [Si]+[Mn] and a large coefficient of thermal expansion.
  • Samples Nos. 29 to 33 had low amounts of Si, Mn, and S, had a large amount of tool wear, and had poor chip breakability.

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Abstract

本発明は、被削性を向上させた低熱膨張合金を得ることを課題とする。本発明の低熱膨張合金は、質量％で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：０．３０～１．００％、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｓ：０．０３０～０．１５０％、Ｎｉ：２７．００～３８．００％、Ｃｏ：０～１２．００％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３～０．１００％、Ｏ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉの含有量を質量％で表した［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｓｉ］が、［Ｍｎ］／［Ｓ］≧１０．０、３２．０％≦［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］≦３８．０％、［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦２．５０％を満たし、２５～１００℃における平均熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以下である。

Description

低熱膨張合金
　本発明は低熱膨張合金に関し、特に、被削性に優れた低熱膨張合金に関する。
　エレクトロニクスや半導体関連機器、レーザ加工機、超精密加工機器の部品材料として、熱的に安定なインバー合金が広く使用されている。しかしながら、従来インバー合金は被削性が低いため、実用化されているのはかなり狭い分野に限定されるという問題があった。
　特許文献１は、この問題を解決する手段として、快削元素としてＳを用いた、重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．４５～１．２％、Ｐ：０．５％以下、Ｓ：０．０１５～０．０３５％、Ｎｉ：３３．０～３４．５％、Ｃｏ：３．０～４．０％であり、残部が実質的に鉄からなり、かつ［Ｍｎ］をＭｎの重量％、［Ｓ］をＳの重量％とした場合に［Ｍｎ］／［Ｓ］：１５以上であることを特徴とする常温での平均熱膨張係数が１．０×１０-6／℃以下の熱膨張係数を有する被削性に優れた低熱膨張合金を開示している。
　特許文献２は、快削元素としてＣを用いた、オーステナイト基地鉄中に黒鉛組織を有する鋳鉄であって、重量％で、固溶炭素を０．０９％以上０．４３％以下、ケイ素１．０％未満、ニッケル２９％以上３４％以下、コバルト４％以上８％以下を含み残部鉄から成り、０～２００℃の温度範囲における熱膨張係数が４×１０-6／℃以下である低熱膨張鋳鉄を開示している。
　特許文献３は、快削元素としてＣを用いた、炭素０．８～３．０％、シリコン１．０～３．０％、マンガン０．４～２．０％、ニッケル３０．０～３３．０％コバルト４．０～６．０％を含有してなることを特徴とする鋳鉄を開示している。
特開２００１－２６２２７７号公報 特開平６－１７２９１９号公報 特開昭５８－２１０１４９号公報
　精密機器の構成部品に使用する合金には、加工の容易性の観点から優れた被削性が求められる。低い熱膨張係数を備えた合金の被削性には、さらに改善の余地がある。本発明は、上記の事情に鑑み、被削性に優れた低熱膨張合金を提供することを課題とする。
　本発明者らは、被削性をさらに向上させた低熱膨張合金を得る方法を鋭意検討した。その結果、特に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｏの含有量を適切に制御することにより、熱膨張係数が小さく、かつ、被削性に優れた低熱膨張合金が得られることを知見した。
　本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
　質量％で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：０．３０～１．００％、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｓ：０．０３０～０．１５０％、Ｎｉ：２７．００～３８．００％、Ｃｏ：０～１２．００％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３～０．１００％、Ｏ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉの含有量を質量％で表した［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｓｉ］が、［Ｍｎ］／［Ｓ］≧１０．０、３２．０％≦［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］≦３８．０％、［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦２．５０％を満たし、２５～１００℃における平均熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以下であることを特徴とする低熱膨張合金。
　本発明によれば被削性に優れた低熱膨張合金が得られるので、たとえば、精密機器の構成部品への加工を容易に行えるようになる。
図１は、実施例における工具摩耗量の評価について説明する図である。 図２は、実施例における切りくずの破砕性の評価について説明する図である。
　以下、本発明について詳細に説明する。以下、成分組成に関する「％」は特に断りのない限り「質量％」を表すものとする。はじめに、本発明の低熱膨張合金の成分組成について説明する。
　（Ｃ：０．０５０％以下）
　Ｃは鋳物中に黒鉛として晶出し被削性を高める元素であるが、熱膨張係数を増加させる元素でもある。本発明の低熱膨張合金においては、熱膨張係数の増加を抑えるため、Ｃ量は０．０５０％以下とする。好ましくは０．０４０％以下、より好ましくは０．０３０％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。
　（Ｓｉ：０．３０～１．００％）
　Ｓｉは、Ｓと複合することにより、被削性を向上させる元素である。Ｓｉの含有量が多くなると熱膨張係数が増加するため、被削性と熱膨張係数のバランスを考慮し、Ｓｉ量は０．３０～１．００％とする。Ｓｉ量の下限は、０．４０％、０．５０％としてもよい。Ｓｉ量の上限は、０．９０％、０．８０％としてもよい。
　（Ｍｎ：０．５０～２．００％）
　Ｍｎは、Ｓと化合物を形成し、被削性を向上させる元素である。また、鋳造、鍛造時の割れを抑制する元素でもある。Ｍｎの含有量が多くなると熱膨張係数が増加するため、被削性と熱膨張係数のバランスを考慮し、Ｍｎ量は０．５０～２．００％とする。Ｍｎ量の下限は、０．６０％、０．７０％、０．８０％としてもよい。Ｍｎ量の上限は、１．９０％、１．８０％、１．７０％としてもよい。
　（Ｓ：０．０３０～０．１５０％）
　Ｓは、Ｍｎと化合物を形成し、被削性を向上させる元素である。Ｓ量が多くなると、Ｓが粒界に偏析することで合金が脆化し、鋳造、鍛造時に割れが生じやすくなるので、被削性と合金の脆化のバランスを考慮し、Ｓ量は０．０３０～０．１５０％とする。Ｓ量の下限は、０．０４０％、０．０５０％、０．０６０％としてもよい。Ｓ量の上限は、０．１４０％、０．１３０％、０．１２０％としてもよい。
　（Ｎｉ：２７．００～３８．００％）
　Ｎｉは、熱膨張係数を低下させる元素である。本発明の低熱膨張合金は、２５～１００℃の平均熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以下である。この熱膨張係数は、主として、Ｎｉ及びＣｏの含有量を適切な範囲とすることで得られる。Ｎｉ量は多すぎても少なすぎても熱膨張係数が十分に小さくならない。熱膨張係数を十分に小さくするために、Ｎｉ量は２７．００～３８．００％とする。Ｎｉ量の下限は、２８．００％、２９．００％、３０．００％としてもよい。Ｎｉ量の上限は、３７．００％、３６．００％、３５．００％としてもよい。
　（Ｃｏ：０～１２．００％）
　Ｃｏは、Ｎｉとの組み合わせにより熱膨張係数の低下に寄与する。Ｃｏの含有量は０であってもよい。所望の熱膨張係数を得るため、Ｃｏの範囲は０～１２．００％とする。Ｃｏ量の上限は、１１．００％、１０．００％、８．００％としてもよい。
　（ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３～０．１００％）
　ｓｏｌ．Ａｌは、被削性を向上させる元素である。熱膨張係数を増加させる元素でもあるので、被削性と熱膨張係数のバランスを考慮し、ｓｏｌ．Ａｌ量は０．００３～０．１００％とする。ここで、ｓｏｌ．Ａｌとは、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物になっておらず、酸に可溶する酸可溶Ａｌを意味する。ｓｏｌ．Ａｌの含有量は、Ａｌの分析過程で生じるろ紙上の不溶解残渣を控除して測定したＡｌとして求められる。ｓｏｌ．Ａｌ量の下限は、０．０１０％、０．０２０％、０．０３０％としてもよい。ｓｏｌ．Ａｌ量の上限は、０．０９０％、０．０８０％、０．０７０％としてもよい。
　（Ｏ：０．０１０％以下）
　Ｏは不純物として含有される元素であり、必須の元素ではなく、下限は０である。ＯはＡｌと結合するとアルミナを形成する。アルミナは硬いため、工具の摩耗を促進する。また、アルミナが形成することにより、ｓｏｌ．Ａｌ量が減少し、被削性が低下する。そのためＯ量は０．０１０％以下とする。好ましくは、０．００８％以下、より好ましくは０．００７％以下、さらに好ましくは０．００６％以下である。
　成分組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、主として本発明で規定する成分組成を有する鋳物を工業的に製造する際に、原料や製造環境等から不可避的に混入するものであり、上述の元素以外で、混入しても、本発明の低熱膨張合金の被削性、熱膨張係数を害さないものをいう。例えば、０．０５０％以下のＰが挙げられる。
　本発明の低熱膨張合金は、さらに、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉの含有量を質量％で表した［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｓｉ］が、以下の式を満たす。
　（［Ｍｎ］／［Ｓ］≧１０．０）
　［Ｍｎ］／［Ｓ］は、ＳがＭｎと十分に化合物を形成し、被削性を向上させるため１０．０以上とする。好ましくは１５．０以上、より好ましくは２０．０以上、さらに好ましくは３０．０以上である。［Ｍｎ］／［Ｓ］が小さいことは、Ｓ量がＭｎ量に対して相対的に大きいことを意味し、Ｓが粒界に偏析する量が増えるため、鋳造、鍛造時に割れが生じやすくなる可能性がある。
　（３２．０％≦［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］≦３８．０％）
　ＮｉとＣｏは、ともに熱膨張係数を低下させる元素であるが、その組み合わせを最適化することで、熱膨張係数をより低下させることができ、［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］を３２．０～３８．０％とする。［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］の下限は、好ましくは３２．５％、より好ましくは３３．０％である。［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］の上限は、好ましくは３７．０％、より好ましくは３６．０％、さらに好ましくは３５．０％である。
　（［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦２．５０％）
　ＳｉとＭｎは、ともに被削性を向上させる元素であるが、熱膨張係数を増加させるので、合計量を２．５０％以下とする。好ましくは２．３０％以下、より好ましくは２．００％以下である。
　（２５～１００℃の平均熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以下）
　本発明の低熱膨張合金は、２５～１００℃の平均熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以下である。上述のとおり、この熱膨張係数は、主として、Ｎｉ及びＣｏの含有量を適切な範囲とすることで得られる。２５～１００℃の平均熱膨張係数は、２．８０×１０-6／℃以下、２．６０×１０-6／℃以下、２．４０×１０-6／℃以下、２．２０×１０-6／℃以下、２．００×１０-6／℃以下、１．８０×１０-6／℃以下であってよい。
　熱膨張係数は、熱膨張測定装置を用いて、－１～１３０℃の範囲を、昇温速度３℃／ｍｉｎで測定する。熱膨張測定装置としては、ＢＲＵＫＥＲ社製ＴＤ５０３０Ｓを使用することができる。
　次に、本発明の低熱膨張合金を得るための製造方法の一例について説明する。
　本発明の低熱膨張合金は、
　（１）所望の成分組成となるように調整した原料を溶融、凝固させ、鋳造品を製造し、
　（２）得られた鋳造品に、溶体化処理を施し、
　（３）溶体化処理を施した鋳造品に、応力除去焼きなましを施す
工程を備える製造方法により、製造される。
　上記の製造方法により得られた鋳造品に鍛造を施し、鍛造品としてもよい。鍛造は、鋳造合金を製造した後、溶体化処理の前に行う。すなわち、本発明の低熱膨張合金は
　（１）所望の成分組成となるように調整した原料を溶融、凝固させ、鋳造品を製造し、
　（２）得られた鋳造品に、鍛造を施し、
　（３）鍛造後の鍛造品に、溶体化処理を施し、
　（４）溶体化処理を施した鍛造品に、応力除去焼きなましを施す
工程を備える製造方法により製造されてもよい。
　鋳造品の製造に用いる鋳型や、鋳型への溶融合金の注入装置、注入方法は特に限定されるものではなく、公知の装置、方法を用いればよい。
　溶体化処理は、鋳造品を７５０～８５０℃に加熱し、０．５～３ｈｒ保持した後、急冷する。冷却速度は１０℃／ｍｉｎ以上が好ましく、１００℃／ｍｉｎ以上がより好ましい。溶体化処理により、熱膨張係数を低下させることができる。
　応力除去焼きなましは、３００～３５０℃で１～５ｈｒ保持し、その後空冷する。
　溶体化処理、応力除去焼きなましは、鋳造後に替えて、鍛造後に施してもよい。
　鋳造品に鍛造を施す場合は、鋳造品を加熱炉内で１０５０～１２５０℃に加熱し、その後、熱間鍛造を施す。その際の鍛錬比は３以上が好ましい。熱間鍛造を施した場合でも本発明の低熱膨張合金の低熱膨張特性はほぼ維持される。また、熱間圧延及び冷間圧延により厚さ０．１～１０ｍｍに加工をすることも可能である。その場合でも、低熱膨張特性はほぼ維持される。
　本発明の成分組成を有する合金であれば、上述のとおり、特別な製法を用いることなく、被削性に優れた低熱膨張合金を得ることが可能である。
　本発明の低熱膨張合金（鋳造品、及び鍛造品を含む）を加工することで、たとえば、エレクトロニクスや半導体関連機器、レーザ加工機、超精密加工機器に用いる合金部品を得ることができる。本発明の低熱膨張合金は、熱的に安定であり、かつ被削性に優れているので、合金部品の材料として好適である。
　高周波溶解炉を用いて、表１に示す成分組成となるように調整した鋳造品（Ｙ型供試材と、インゴット１０ｋｇ）を溶製した。表１、表２に「鍛造品」と記載された実施例については、得られたインゴットを加熱炉内で１２００℃に加熱した後熱間鍛造を施し、鍛造品（４０ｍｍ角の棒材）とした。鍛錬比は５以上になるようにした。
　得られた鋳造品、鍛造品それぞれに対して、８００℃に加熱し、１．５ｈｒ保持する溶体化処理を施し、溶体化処理の後、３００℃で３ｈｒ保持して空冷する応力焼きなまし処理を施した。
　応力焼きなまし処理後の鋳造品、鍛造品それぞれから、熱膨張係数測定試験片、被削性評価用試験片を採取した。
　熱膨張係数については、熱膨張測定装置（ＢＲＵＫＥＲ社製ＴＤ５０３０Ｓ）を用いて、－１～１３０℃の範囲を、昇温速度３℃／ｍｉｎで測定し、２５℃から１００℃の平均熱膨張係数を求めた。
　被削性、切りくずの破砕性については、被削性評価用試験片を、ドリル径φ２．６ｍｍのドリル（コバルトハイス、ＴｉＮコーティング）を用いて、水溶性切削油剤を使用し、切削速度：４５ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．０５２ｍｍ／ｍｉｎで、加工深さ１３ｍｍの穴あけ加工（ノンステップ加工）を行い評価した。
　被削性は工具摩耗量、切りくずの破砕性で評価した。図１を参照して、工具摩耗量について説明する。工具摩耗量については、１００穴加工後のドリルについて、図１に示すように、ドリルの母材が見えるところ（１）から切れ刃（２）までの距離とし、工具摩耗量が０．０５ｍｍ以下の場合、良好であると判断した。なお、表２の「穿孔不可」は、ドリルの折損、若しくは欠損が確認され、又は穿孔中に異音が発生し、穿孔不可と判断したものである。また、「鍛造割れ」と記載された実施例では、鍛造時に割れが生じたため、熱膨張係数、工具摩耗量、及び切りくずの破砕性の評価は行わなかった。
　図２を参照して、切りくずの破砕性について説明する。切りくずの破砕性は、切りくずを観察して８０％以上の切りくずが、長さが１ｃｍ以下で分断されていれば良好と評価して「○」とした。図２の（ａ）が切りくずの破砕性が良好である例、（ｂ）が破砕性が劣る例である。なお、表２の「×伸びる」は、２０％超の切りくずで、長さが１ｃｍを超えたことを意味する。
　結果を表２に示す。工具摩耗量、切りくずの破砕性の評価がともに良好なものを、被削性が良好であると判断した。
　Ｎｏ．１～１４は発明例であり、熱膨張係数が小さく、工具摩耗量、切りくずの破砕性も良好であり、本発明の低熱膨張合金は、鋳造品、鍛造品とも良好な被削性を有することが確認できた。
　Ｎｏ．１５はＳｉ量が小さく、工具摩耗量が大きくなった。
　Ｎｏ．１６はＳｉ量が大きく、さらに［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］が大きく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．１７はＭｎ量が小さく、さらに［Ｍｎ］／［Ｓ］が小さく、鍛造割れが生じた。
　Ｎｏ．１８はＭｎ量が大きく、さらに［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］が大きく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．１９はＳ量が小さく、工具摩耗量が大きく、切りくずの破砕性が悪かった。
　Ｎｏ．２０はＳ量が大きく、さらに［Ｍｎ］／［Ｓ］が小さく、鍛造割れが生じた。
　Ｎｏ．２１はＮｉ量が小さく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．２２はＮｉ量が大きく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．２３はＣｏ量が大きく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．２４はｓｏｌ．Ａｌ量が小さく、さらにＯ量が大きく、工具摩耗量大きくなった。
　Ｎｏ．２５は［Ｍｎ］／［Ｓ］が小さく、鍛造割れが生じた。
　Ｎｏ．２６は［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］が小さく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．２７は［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］が大きく、さらに、［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］が大きく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．２８は［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］が大きく、熱膨張係数が大きかった。
　Ｎｏ．２９～３３は、Ｓｉ量、Ｍｎ量、Ｓ量が小さく、工具摩耗量が大きく、切りくずの破砕性が悪かった。
　１　ドリルの母材が見えるところ
　２　切れ刃

Claims (1)

  1. 　質量％で、
    　　Ｃ　：０．０５０％以下、
    　　Ｓｉ：０．３０～１．００％、
    　　Ｍｎ：０．５０～２．００％、
    　　Ｓ　：０．０３０～０．１５０％、
    　　Ｎｉ：２７．００～３８．００％、
    　　Ｃｏ：０～１２．００％、
    　　ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３～０．１００％、
    　　Ｏ　：０．０１０％以下
    を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、
    　Ｍｎ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉの含有量を質量％で表した［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｓｉ］が、
    　［Ｍｎ］／［Ｓ］≧１０．０、
    　３２．０％≦［Ｎｉ］＋０．４［Ｃｏ］≦３８．０％、
    　［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦２．５０％
    を満たし、
    　２５～１００℃における平均熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以下である
    ことを特徴とする低熱膨張合金。
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