CN110662851A - 低热膨胀合金 - Google Patents

Abstract

一种低热膨胀合金，是具有高刚性、低热膨胀率的合金，其特征在于，以质量％计含有C：0.040％以下、Si：0.25％以下、Mn：0.15～0.50％、Cr：8.50～10.0％、Ni：0～5.00％、Co：43.0～56.0％、S：0～0.050％、和Se：0～0.050％，余量为Fe以及不可避免的杂质，Ni、Co、Mn的含量[Ni]、[Co]、[Mn]满足55.7≤2.2[Ni]+[Co]+1.7[Mn]≤56.7，组织为奥氏体单相。

Description

低热膨胀合金

技术领域

本发明涉及具有高的杨氏模量的低热膨胀合金。

背景技术

作为电子学和半导体相关设备、激光加工机、超精密加工设备的部件材料，广泛使用在热学上稳定的因瓦(Invar)合金。可是，以往的因瓦合金存在杨氏模量较小、为一般钢材的二分之一左右的问题。因此，需要进行增厚成为对象的部件的壁厚等的高刚性化设计。

在专利文献1中，作为耐玻璃腐蚀性优异的光学玻璃透镜压制成形用低热膨胀Co基合金制模具，公开了一种具有高的弹性系数、且线热膨胀系数为2～8×10^-6/K的合金。该合金期望具有使[111]的晶体取向沿模具的压制轴取向的单晶组织。

专利文献2为一种在低于－50℃的极低温区域中显示与常温附近同等的优异的低热膨胀特性的低热膨胀Co基合金。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2003－81648号公报

专利文献2:日本特开2009－227180号公报

发明内容

专利文献1所公开的合金具有2～8×10^-6/K这一比较低的热膨胀系数，但为了作为超精密加工设备的部件材料使用而需要更低的热膨胀系数。另外，由于专利文献1所公开的合金为单晶，因此存在制造花费时间的缺点。

专利文献2所公开的合金在低于－50℃的极低温区域显示优异的热膨胀特性，但因组织由三相组织构成，因此组织变得不稳定，在－150℃以下开始马氏体相变，热膨胀特性丧失，因此能够使用的温度环境被限制。例如存在极寒冷地区、月球表面、近年的电波望远镜等的精密设备的使用温度的极低温化等问题。

本发明的课题是解决上述的问题，提供能够通过通常的铸造来制造，且具有高的杨氏模量、低的热膨胀系数，而且具有即使在低温下也稳定的组织的低热膨胀合金及其制造方法。

本发明人锐意研究了获得兼备高的杨氏模量和低的热膨胀系数，而且具有即使在低温下也稳定的组织的低热膨胀合金的方法。其结果发现，特别是通过将Ni、Co、Mn的含量最佳化，能够得到同时具有高的杨氏模量和低的热膨胀系数，而且即使在低温下也稳定的低热膨胀合金。

在通常的低热膨胀合金中，通过成分组成的调整，也能够某种程度地调整杨氏模量和热膨胀系数。可是，杨氏模量和热膨胀系数大体存在折衷的关系。即，存在若杨氏模量变高则热膨胀系数也变大的关系，以往的Fe－Ni或者Fe－Ni－Co合金在高杨氏模量化上存在极限。

本发明人发现，在低热膨胀合金中，通过将Fe－Co－Cr合金的成分组成最佳化，即使在小的热膨胀系数下杨氏模量也提高。而且发现，由于奥氏体成为即使在－196℃以下的低的温度下也稳定的组织，因此即使是极寒冷地区、极低温的使用环境化，也不会进行马氏体相变而丧失低热膨胀特性。

本发明是基于上述的见解而完成的，其主旨如下。

(1)一种低热膨胀合金，其特征在于，以质量％计含有C：0.040％以下、Si：0.25％以下、Mn：0.15～0.50％、Cr：8.50～10.0％、Ni：0～5.00％、Co：43.0～56.0％、S：0～0.050％、和Se：0～0.050％，余量为Fe以及不可避免的杂质，Ni、Co、Mn的含量[Ni]、[Co]、[Mn]满足55.7≤2.2[Ni]+[Co]+1.7[Mn]≤56.7，组织为奥氏体单相。

(2)一种低热膨胀合金的制造方法，是制造上述(1)所述的低热膨胀合金的方法，其特征在于，将合金加热至700～1050℃之后，在炉内冷却，所述合金含有C：0.040％以下、Si：0.25％以下、Mn：0.15～0.50％、Cr：8.50～10.0％、Ni：0～5.00％、Co：43.0～56.0％、S：0～0.050％、和Se：0～0.050％，余量为Fe以及不可避免的杂质，Ni、Co、Mn的含量[Ni]、[Co]、[Mn]满足55.7≤2.2[Ni]+[Co]+1.7[Mn]≤56.7。

根据本发明，能得到具有高的杨氏模量、低的热膨胀系数，而且具有即使在低温下也稳定的组织的低热膨胀合金，因此能够适用于在热学上稳定且需要高的刚性的部件等。

附图说明

图1是在实施例中制造的合金的X射线衍射的一例，(a)为发明例的，(b)为比较例的。

具体实施方式

以下对本发明进行详细说明。以下关于成分组成的“％”，只要没有特别的说明就表示“质量％”。起初，对本发明的合金的成分组成进行说明。

C有助于奥氏体的低温稳定性的提高，但若C的含量变多，则热膨胀系数变大，延展性降低，而且，合金的经年变化变大，因此其含量设为0.040％以下，优选设为0.020％以下。C不是必需的元素，也可以不含有。

Si作为脱氧材料添加。在凝固后的合金中不需要含有Si，但在现实上难以使其含量为0，因此可以含有0.01％以上。若Si量变多，则热膨胀系数增加，因此Si量设为0.25％以下，优选设为0.20％以下。为了使熔液的流动性提高，Si优选含有0.10％以上。

Mn作为脱氧材料添加。另外，也有助于通过固溶强化带来的强度的提高。而且，在本发明中，有助于奥氏体的低温稳定性的提高，使得即使在－196℃也不进行马氏体相变。为了得到该效果，含有0.15％以上的Mn。Mn的含量超过0.50％时效果减少，成本变高，因此Mn量设为0.50％以下。优选设为0.30％以下。

Cr是对确保耐蚀性而言很重要的元素，另外，通过与Co的最佳的组合，能得到低的热膨胀。为了确保耐蚀性，Cr的含量设为8.50％以上。若Cr量过多，则热膨胀系数变大，因此Cr量设为10.0％以下。

Ni通过与Co的组合而有助于热膨胀系数的降低。另外，有助于奥氏体的低温稳定性的提高，使得即使在－196℃也不进行马氏体相变。为了得到期望的热膨胀系数，Ni的范围设为0～5.00％，优选设为1.50～5.00％。

Co是使热膨胀系数降低的必需的元素。不论Co量过多还是过少，热膨胀系数都不会充分地小。在本发明中，Co量设为43.0～56.0％的范围。优选的下限为45.0％，更优选的下限为48.0％。优选的上限为54.0％，更优选的上限为52.0％。

本发明的低热膨胀合金，奥氏体稳定，具有奥氏体单相的组织。该组织可通过使Ni和Co以及Mn的平衡处于适当的范围而得到，能够使热膨胀系数低。为了得到奥氏体单相的组织、以及低的热膨胀系数，使Ni、Co、Mn的含量(质量％)[Ni]、[Co]、[Mn]满足55.7≤2.2[Ni]+[Co]+1.7[Mn]≤56.7。

组织是否为奥氏体单相可通过X射线衍射来调查。在本发明中，在X射线衍射图中，求出奥氏体与铁素体的强度比，在没有铁素体的峰的情况下、或者如果奥氏体的强度为铁素体的强度的100倍以上，则判断为是奥氏体单相。

除此以外，在要求被切削性的情况下，也可以分别以0.050％以下的范围添加S和Se。

成分组成的余量为Fe以及不可避免的杂质。所谓不可避免的杂质，是指在工业性制造具有在本发明中规定的成分组成的钢时从原料和制造环境等不可避免地混入的物质。具体地可列举Al、S、P、Cu等。这些元素不可避免地混入的情况下的含量为0.01％以下的程度。

接着，对本发明的低热膨胀合金的制造方法进行说明。

本发明的高刚性低热膨胀合金的制造所使用的铸模、钢液向铸模的注入装置、注入方法并不特别限定，使用公知的装置、方法即可。

将得到的铸钢或在1100℃实施锻造而得到的锻钢加热至700～1050℃，保持0.5～5小时之后，进行炉内冷却。冷却速度慢为好，优选为10℃/分以下，更优选为5℃/分以下。

本发明的高刚性低热膨胀合金，具有高的杨氏模量、低的热膨胀系数，而且具有即使在低温下也稳定的组织。具体而言，具有160GPa以上、优选170GPa以上的杨氏模量、±1.0×10^-6/℃以内、优选±0.5×10^-6/℃以内的热膨胀系数，马氏体相变点低于－196℃，优选低于－269℃。

实施例

[实施例1]

将进行调整以使得成为表1所示的成分组成的熔液向铸模中注入，来制造了铸钢。铸钢设为Φ100×350，实施1000℃×2小时的热处理，在炉内冷却，切成各试样尺寸作为试样。对制造的试样在315℃实施2小时热处理，得到最终的合金。

对于制造的试样，测定了杨氏模量、热膨胀系数、奥氏体分率、－196℃以及－269℃的组织稳定性。

杨氏模量在室温下采用二点支撑横向共振法测定。热膨胀系数使用热膨胀测定机作为0～60℃的平均热膨胀系数来求出。奥氏体分率使用X射线衍射以奥氏体与铁素体的强度比求出。

图1表示X射线衍射的一例。(a)为实施例19(发明例)的，(b)为实施例15(比较例)的。

－196℃的组织稳定性，将试样冷却到－196℃以及－269℃，保持1小时后，观察组织，观察马氏体的有无，在各温度下没有马氏体的情况下，将组织稳定性评为“○”，观察到马氏体的情况下，将组织稳定性评为“×”。

将结果示于表1。如表1所示，得到以下结果：本发明例的合金具有1×10^-6/℃以下的低的热膨胀系数，具有高达160GPa以上的杨氏模量，而且，组织为奥氏体，即使在－196℃也组织稳定。

[实施例2]

将进行调整以使得成为表2所示的成分组成的熔液注入到Φ100×350的铸模中。将该铸块加热至1150℃后，进行锻造，制成Φ50的锻钢后，实施1000℃×2小时的热处理，在炉内冷却，切成各试样尺寸作为试样。另外，实施例39以及40的热处理，是在锻造前实施1200℃的扩散处理，锻造后实施800℃×2小时的热处理，进行水冷，切成各试样尺寸作为试样。对各所制造出的试样在315℃进行2小时热处理，得到最终的合金。

将结果示于表2。如表2所示，得到以下结果：本发明例的合金具有1×10^-6/℃以下的低的热膨胀系数，具有高达160GPa以上的杨氏模量，而且，组织为奥氏体，即使在－196℃也组织稳定。

Claims (2)

1.一种低热膨胀合金，其特征在于，以质量％计含有

C：0.040％以下、

Si：0.25％以下、

Mn：0.15～0.50％、

Cr：8.50～10.0％、

Ni：0～5.00％、

Co：43.0～56.0％、

S：0～0.050％、和

Se：0～0.050％，

余量为Fe以及不可避免的杂质，

Ni、Co、Mn的含量[Ni]、[Co]、[Mn]满足：

55.7≤2.2[Ni]+[Co]+1.7[Mn]≤56.7，

组织为奥氏体单相。

2.一种低热膨胀合金的制造方法，是制造权利要求1所述的低热膨胀合金的方法，其特征在于，

将合金加热至700～1050℃之后，在炉内冷却，

所述合金含有

C：0.040％以下、

Si：0.25％以下、

Mn：0.15～0.50％、

Cr：8.50～10.0％、

Ni：0～5.00％、

Co：43.0～56.0％、

S：0～0.050％、和

Se：0～0.050％，

余量为Fe以及不可避免的杂质，

Ni、Co、Mn的含量[Ni]、[Co]、[Mn]满足：

55.7≤2.2[Ni]+[Co]+1.7[Mn]≤56.7。