JP2001262277A - 被削性に優れた低熱膨張合金およびその製造方法 - Google Patents
被削性に優れた低熱膨張合金およびその製造方法Info
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Abstract
成を有することで常温での熱膨張率を極小にするインバ
ー系低熱膨張材料を提供する。 【構成】 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以上とすることにより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得る。
Description
要求される精密機械部品等の用途に適した、被削性に優
れた低熱膨張合金およびその製造方法に関する。
実用金属材料の中でスーパーインバーおよびインバー
は、20〜100℃の温度範囲での熱膨張率αが、前者
では0〜1×10−6/℃、後者では1〜2×10−6
/℃であり、熱膨張が非常に小さいという特性を持って
いる。これらは、主として塑性加工によって成形され、
線、板、棒等の素材で供給されている。従って、完成部
品とするには、多くの機械加工が必要となるが、被削性
が低く、多大な費用を要するため、利用範囲が制限され
ている。
が低いのは、(1)高切削抵抗による発熱のため、
(2)工具寿命が短い、(3)切り屑処理性が低い、
(4)加工硬化しやすい等によるものと考えられてい
る。
a,Pb,Zr,Se等を添加し、快削性を付与した材
料が提供されているが、機械的性質の低下、熱膨張率の
増加、製造法の複雑化を伴なう欠点がある。
た特公昭60−51547号公報記載の材料や、同じく
インバーに鋳造性を付与したASTM.A−436,T
ype5及び同A−439,Type D−5は、凝固
過程で組織中に黒鉛を生ずるため、スーパーインバーお
よびインバーに比較して被削性が改善されているが、そ
れぞれ3.0×10−6/℃前後の熱膨張係数の増大を
伴ない、尚一層の高精度を要求される用途に対しては不
十分であり、スーパーインバーおよびインバーと同程度
の熱膨張係数を有し、かつ、被削性に優れた低熱膨張合
金が望まれている。
た特開平3−90541号公報に記載されている低熱膨
張合金があるが、高価なCoを多量に含有しているため
コストが高くなってしまうという欠点がある。
パーインバー、インバー及び低熱膨張合金等の諸問題、
すなわち、(1)スーパーインバーおよびインバーにお
ける、被削性が低く、また素材形状に制限があるという
問題、(2)低熱膨張鋳鉄における熱膨張係数が高いこ
と、(3)素材のコストが高くなる問題等を解決するも
のであり、被削性、熱膨張性、鋳造性のいずれの面にも
優れ、特に鋳造合金に適した低コストの低熱膨張合金お
よびその製造方法を提供することを目的とする。
バー及びインバーと同等の低熱膨張性を有し、かつ被削
性に優れ、低熱膨張鋳鉄のように鋳造性にも優れ、低コ
ストで製造できる低熱膨張合金を提供するものである。
すなわち、第一の発明は、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%、N
i: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提供する。
05%以下、Si:0.3%以下、Mn:0.45〜
1.2%、P:0.5%以下、S:0.015〜0.0
35%、Ni:33.5〜35.5%、Co:2.0〜
3.0%であり、残部が実質的に鉄からなり、かつ[M
n]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1.5×10−6/℃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提供す
る。
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:34.0〜36.5%、Co:1.0
〜2.0%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2.0×10−6/℃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提
供する。
の発明のいずれかの組成を有する合金を700〜950
℃の温度範囲で加熱後、5℃/sec以上の冷却速度で
450℃以下まで冷却することを特徴とする被削性に優
れた低熱膨張合金の製造方法を提供する。
性に優れること)と低熱膨張性を両立させるために最適
な組成範囲を規定するものであり、また、さらに当該組
成の合金に最適な熱処理条件を規定するものである。
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%、残部が実質的に鉄からなり、かつ[M
n]をMnの重量%、[S]をSの重量%とした場合に
[Mn]/[S]:15以上であり、NiおよびCo
を、Ni:33.0〜34.5%およびCo:3.0
〜4.0%、Ni:33.5〜35.5%およびC
o:2.0〜3.0%、Ni:34.0〜36.5%
およびCo:1.0〜2.0%の3つのレベルのうちの
いずれかとする。
い影響を与え、0.05%を超えると、熱膨張係数が大
きくなって所望の低熱膨張性が得られなくなる。したが
って、C量を0.05%以下とする。
トリクス中の固溶量が多くなると熱膨張係数が大きくな
ってしまうことから、0.3%以下とする。
上に重要な役割を果たす。0.45%未満では、Mnと
Sとの化合物を形成しにくく、被削性が劣り、かつ、鋳
造割れを生じ易くなる。一方、1.2%を超えるとC,
Siと同様に熱膨張係数が大きくなってしまうことか
ら、Mn量を0.45〜1.2%とする。
と粒界に存在し、材料の強度低下をもたらすため、その
含有量は少ない方が望ましい。このような強度低下はP
含有量が0.5%を超えると顕著となるため、P含有量
の上限を0.5%とする。
であるが、鋼中に多量に含まれると強度低下をもたら
す。0.015%未満のS含有量では、被削性の向上に
有効なMnとの化合物の生成量が十分でなく被削性改善
の効果が得られず、0.035%を超えると強度低下を
もたらす。このため、S含有量を0.015〜0.03
5%とする。
する重要なパラメータである。MnおよびSの含有量に
ついては前述の通りであるが、[Mn]/[S]の値が
15未満であると、過剰なSがマトリクス中の主要元素
であるFeと化合物を形成し、低融点のFeSを生じて
しまい、凝固中に割れを生じ易くなるため、特に鋳物を
製造する場合は不都合である。[Mn]/[S]の値が
15以上であると、Sは主にMnとの化合物となり、有
害なFeSが生じにくく、凝固割れが発生し難い。この
ため、[Mn]/[S]の値を15以上とする。ただ
し、製品形状、大きさによっては、[Mn]/[S]を
30以上とすることが好ましい。
o:3.0〜4.0% Ni:33.5〜35.5%およびCo:2.0〜
3.0% Ni:34.0〜36.5%およびCo:1.0〜
2.0% Ni,Coは熱膨張率に最も影響を与える重要な元素で
ある。本発明においては、Ni量およびCo量を、数々
の実験を通じて得られた最適な組み合わせとすることに
より、優れた低熱膨張性を有する合金を達成する。Co
は要求される熱膨張性、コスト等によって1.0〜4.
0%の範囲で添加されるが、Co量のレベルに応じてN
i量を限定することで熱膨張率を極小化することができ
る。すなわち、Co量が3.0〜4.0%の場合には、
Ni量を33.0%〜34.5%とすることにより熱膨
張性が極小となり、常温での平均熱膨張係数を1.0×
10−6/℃以下とすることができる。なお、Co量が
2.0〜3.0%の場合には、Ni量を33.5〜3
5.5%とすることにより熱膨張性が極小となり、常温
での平均熱膨張係数を1.5×10−6/℃以下とする
ことができる。また、Co量が1.0〜2.0%の場合
には、Ni量を34.0〜36.5%とすることにより
熱膨張性が極小となり、常温での平均熱膨張係数を2.
0×10−6/℃以下とすることができる。いずれのC
o量のレベルにおいても、Ni量がこれらの範囲を外れ
ると所望の低熱膨張性が得られない。このように、高価
なCo量のレベルに応じて、最適な量のNiを添加する
ので、Coによる熱膨張係数の低減効果を最大限に発揮
させることができ、最小限のコストで優れた特性の合金
を得ることができる。
部は、実質的に鉄からなる。すなわち、不可避的不純物
や、本発明の効果を損なわない範囲の微量添加元素は許
容される。
有する溶融金属を鋳型に鋳込んで製造される鋳造合金に
好適であるが、鋳塊または鋳片とした後に、圧延や鍛造
等の塑性加工を施して使用される合金であってもよい。
また、製造条件は特に限定されるものではない。ただ
し、本発明においては、所定の形状に製造した素材を7
00〜950℃に加熱した後、5℃/sec以上の冷却
速度で450℃以下まで冷却する熱処理を施すことが好
ましい。このような熱処理により、常温における熱膨張
率をさらに低減することができる。特に鋳物を製造する
場合は、合金元素の均質化のために、当該熱処理が有効
である。
は、合金元素の拡散による均質化に要する時間が長くな
り不経済である。また、950℃を超える加熱温度で
は、結晶粒の粗大化による機械的性質の劣化を招き、ま
た同時にスケールの生成が激しくなりスケール除去のた
めの工程が煩雑になるばかりか、エネルギーの観点でも
不経済となることから、加熱温度は700〜950℃と
した。
張率に及ぼす影響が大きく、700〜950℃に加熱後
5℃/sec未満の冷却速度では、所望の熱膨張率が得
られないことから、加熱後の冷却速度を5℃/sec以
上とした。
説明する。30kVA高周波電気炉により、表1に示す
成分を有し、残部が鉄からなる供試材料を溶解し、CO
2ケイ砂型で、JIS G 5122B号試験片(以下
B号試験片と記述)と25×60×250mmの被削性
試験片を鋳造した。B号試験片からは、表1に記載の熱
処理を施した後、機械加工でφ8×100mmの熱膨張
係数測定試験片(以下熱膨張試験片と記述)を採取し、
20〜25℃での平均熱膨張係数(以下、室温近傍での
平均熱膨張係数と記述)を押棒式横形熱膨張計を用いて
測定した。被削性試験片は、60×250mmの二面を
研削盤にて表面を平滑に加工した後、ドリル穿孔試験を
行った。ドリル穿孔試験は、φ5mmの高速度鋼ドリル
を用いて、回転数1274RPM、送り0.2mm/
回、潤滑なし、穴深さ10mmの試験条件で実施し、5
0個以上穿孔可能であった場合に被削性が良好であると
した。なお、表1中、「合金レベル」の欄には、実施例
においてNi:33.0〜34.5%およびCo:
3.0〜4.0%を満たすものを1、Ni:33.5
〜35.5%およびCo:2.0〜3.0%を満たすも
のを2、Ni:34.0〜36.5%およびCo:
1.0〜2.0%を満たすものを3としている。
〜11は、熱膨張係数が合金レベルに応じた所望の値
(合金レベルが1の場合には1.0×10−6/℃以
下、合金レベルが2の場合には1.5×10−6/℃以
下、合金レベルが3の場合には2.0×10−6/℃以
下)であり、また、いずれの場合も被削性が良好であっ
た。
9は、いずれかの特性が劣っていた。具体的には、合金
12は、Cの含有量が本発明の範囲よりも大きいため熱
膨張係数が所望の値より大きく、さらにSの含有量が本
発明の範囲よりも少ないため被削性が良くない。合金1
3および14は、Sの含有量が本発明の範囲よりも少な
いため被削性が良くない。合金15は、Coが重量%で
4.0%含まれているにも関わらず、Niの含有量が本
発明の範囲よりも大きいため熱膨張係数が所望の値より
大きい。合金16はCoが重量%で2.5%含まれてい
るにも関わらず、Niの含有量が本発明の範囲よりも少
ないため熱膨張係数が所望の値より大きい。合金17
は、Coが重量%で1.6%含まれているにも関わら
ず、Niの含有量が本発明の範囲よりも少ないため熱膨
張係数が所望の値より大きい。合金18は、Si含有量
が本発明の範囲よりも大きいため、熱膨張係数が所望の
値より大きい。合金19は、Coが重量%で1.8%含
まれているにも関わらず、Niの含有量が本発明の範囲
よりも多いため熱膨張係数が所望の値より大きい。
施例について説明する。30kVA高周波電気炉によ
り、表2に示す成分を有し、残部が鉄からなる供試材料
を溶解し、CO2ケイ砂型で、B号試験片と図2に示す
形状の割れ試験片を鋳造した。B号試験片からは、所定
の熱処理を施した後、機械加工でφ8×100mmの熱
膨張試験片を採取し、室温付近での平均熱膨張係数を押
棒式横形熱膨張計を用いて測定した。割れ試験片では、
図2中A点(R=2mmおよびR=4mm)での割れを
目視および染色浸透探傷検査法にて割れの有無を確認し
た。なお、表2に示した「合金レベル」は表1のものと
同様である。
0〜合金28は、熱膨張係数がCo量のレベルに応じた
所望の値(Co:3.0%〜4.0%の場合には1.0
×10−6/℃以下、Co:2.0%〜3.0%の場合
には1.5×10−6/℃以下、Co:1.0%〜2.
0%の場合には2.0×10−6/℃以下)よりも低
く、優れた低熱膨張性を有しており、また、いずれの場
合も割れ試験片のR=4mmのA点で割れが確認され
ず、凝固割れの発生が抑制されていた。さらに、本発明
例のうち[Mn]/[S]を30以上とした合金20〜
24では、割れ試験片のR=2mmのA点でも割れは確
認されず、凝固割れの発生が極めて低く抑制されてい
た。
金35では、いずれかの特性が劣っていた。具体的に
は、合金29は合金20と、合金30は合金22と、合
金31は合金23とそれぞれ化学組成は同じであるが、
冷却速度が本発明の範囲よりも小さいため、熱膨張係数
が所望の値より大きい。合金32は合金20と化学組成
が同じであるが、加熱温度が本発明の範囲よりも低いた
め、常温付近での熱膨張係数が所望の値より大きい。合
金33はMnの含有量が本発明の範囲よりも低く、[M
n]/[S]も本発明の範囲より小さくなり、凝固割れ
を生じた。合金34は[Mn]/[S]は本発明の範囲
にあるものの、Mnの含有量が本発明の範囲よりも低い
ため、凝固割れを生じた。一方、合金35は、[Mn]
/[S]の値のみが本発明範囲よりも小さく、凝固割れ
を生じた。
ついて、SとMnの含有量に基づいて整理し、図1に示
す。図1の斜線を施した部位がMnとSに関する本発明
の範囲である。表2および図1から、本発明によれば割
れを発生することなく、Coの含有量に応じて、常温で
の熱膨張係数の小さい所望の低熱膨張合金を製造できる
ことがわかる。
比べて、被削性に優れた低熱膨張合金を低コストで提供
することが可能となった。
軸にS含有量をとり、縦軸にMn含有量をとった座標平
面に整理して示したグラフ。
面。
Claims (4)
- 【請求項1】 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]:1
5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。 - 【請求項2】 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.
5〜35.5%、Co:2.0〜3.0%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]:1
5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1.5×10−6/℃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。 - 【請求項3】 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:34.
0〜36.5%、Co:1.0〜2.0%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]:1
5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2.0×10−6/℃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。 - 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれか1項に
記載の組成を有する合金を700〜950℃の温度範囲
で加熱後、5℃/sec以上の冷却速度で450℃以下
まで冷却することを特徴とする被削性に優れた低熱膨張
合金の製造方法。
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