JP5893659B2 - 低熱膨張鋳造合金およびその製造方法 - Google Patents
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Description
i)Co含有量をC含有量に応じて調整し、
ii)Co含有量に応じてNi含有量を規定する
ことにより、スーパーインバーと同等の極めて小さい熱膨張係数を得られることを見出した。
C :0.02%超、0.15%以下、
Si:0.3%以下、
Mn:0.25〜0.6%、
Ni:29〜32.5%、
Co:5〜9.5%
を含有し、
かつC含有量(質量%)を[C]、Co含有量(質量%)を[Co]と表した場合に、これらが(a)[Co]≧40×[C]+3、(b)[C]≦0.15、(c)[Co]≦(70/3)×[C]+6、(d)[C]>0.02、(e)[Co]≧−20×[C]+6を満たす範囲であり、
Ni含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]で表した場合に、[Ni]+0.8×[Co]と表されるNi当量が、35.5〜36.5%の範囲であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる(ただし、C:0.052%、Si:0.19%、Mn:0.61%、Ni:32.21%、Co:5.07%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を除く)ことを特徴とする低熱膨張鋳造合金。
C :0.02%超、0.15%以下、
Si:0.3%以下、
Mn:0.25〜0.6%、
S:0.015〜0.035%
Ni:29〜32.5%、
Co:5〜9.5%
を含有し、
かつC含有量(質量%)を[C]、Co含有量(質量%)を[Co]と表した場合に、これらが(a)[Co]≧40×[C]+3、(b)[C]≦0.15、(c)[Co]≦(70/3)×[C]+6、(d)[C]>0.02、(e)[Co]≧−20×[C]+6を満たす範囲であり、
かつNi含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]で表した場合に、
[Ni]+0.8×[Co]と表されるNi当量が、35.5〜36.5%の範囲であり、
さらに、Mn含有量(質量%)を[Mn]、S含有量(質量%)を[S]、鋳造品の最大肉厚(mm)をtで表した場合に、[Mn]/[S]≧46−1335/t+13430/t2を満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする低熱膨張鋳造合金。
第1の実施形態は、通常の大気溶解および大気鋳造が可能なレベルのCを含有しながら、スーパーインバーと同等の低熱膨張係数の鋳造合金を得るものである。
・C:0.02%超、0.15%以下
Cは熱膨張係数を著しく増加させる元素であり、従来のスーパーインバー組成(32%Ni−5%Co−残Fe)においては、Cを0.02%を超えて含有させると、1×10-6/℃以下の低熱膨張係数が得難いとされていた。しかし、Cはスーパーインバー組成の低熱膨張合金鋳造品の鋳造性や健全性を改善する効果があり、本発明では大気溶解においても健全な鋳造品が得られるように、適正な鋳造設計を行って、C含有量を0.02%超とする。具体的には、図1に示すように(詳細は後述)、Co量をC量に応じて調整することにより、C含有量が0.02%を超えても1×10-6/℃以下の低熱膨張係数を得ることを可能にした。しかし、その含有量が0.15%を超えると、組織中の一部に黒鉛を析出するようになり、固溶Cの量が変化するため、Co量の調整によっても1×10-6/℃以下の熱膨張係数が得られなくなる。したがって、C含有量を0.02%超、0.15%以下の範囲とする。
Siは脱酸および湯流れ性改善を目的として添加する元素である。しかし、その含有量が0.3%超ではCと同様に熱膨張係数の増加が無視できなくなる。したがって、Si含有量を0.3%以下とする。
Mnは脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が0.25%未満ではその効果が少なく、0.6%を超えると熱膨張係数の増加が大きくなる。したがって、Mn含有量を0.25〜0.6%の範囲とする。
Coは後述のNiとともに熱膨張係数を決定する重要な元素であり、しかもNi単独添加の場合より小さな熱膨張係数を得るためには不可欠な元素である。
5%未満では熱膨張係数が1×10-6/℃超となり、9.5%超では後述のC量に対してCo量を調整してもやはり熱膨張係数が1×10-6/℃を超える。したがって、Co含有量を5〜9.5%の範囲とする。
NiはCoとともに熱膨張係数を決定する重要な元素であり、Co量に応じて後述の範囲に調整することによって熱膨張係数を1×10-6/℃以下にできる。しかし、Niが29%未満、または32.5%超では、前記の調整によっても熱膨張係数が1×10-6/℃超になる。したがって、Niを29〜32.5%の範囲とする。
(a)[Co]≧40×[C]+3、
(b)[C]≦0.15、
(c)[Co]≦(70/3)×[C]+6、
(d)[C]>0.02、
(e)[Co]≧−20×[C]+6
を満たす範囲
・[Ni]+0.8×[Co]が35.5〜36.5%の範囲
本発明者らが、合金中のC含有量とCo含有量とを詳細に検討した結果、従来検討されてこなかった、図1の領域Cに示す(a)[Co]≧40×[C]+3、(b)[C]≦0.15、(c)[Co]≦(70/3)×[C]+6、(d)[C]>0.02、(e)[Co]≧−20×[C]+6を満たす範囲とすれば、[Ni]+0.8×[Co]と表されるNi等量が、35.5〜36.5%の範囲で、1×10-6/℃以下の熱膨張係数が得られることが新たに見出された。ただし、[C]、[Co]、[Ni]は、各元素の含有量(質量%)である。
これらの組成範囲の合金を高温加熱後に急冷すると、熱膨張係数を小さくできる。その理由として、急冷時に発生する内応力の作用で磁化状態が変化し、自発磁化ひずみに影響するためであると考えられる。加熱温度が700℃未満では、低熱膨張効果が不十分となり、また、950℃超では効果の向上がなく、かえって変形や割れを生ずる危険がある。加熱後、450℃までの平均冷却速度が5℃/sec.未満では、内応力発生が小さく、熱膨張係数の低減効果が少ない。したがって、700〜950℃の温度範囲で加熱した後、5℃/sec.以上の冷却速度で、450℃以下まで冷却する。
第2の実施形態は、通常の大気溶解および大気鋳造が可能なレベルのCを含有しながら、スーパーインバーと同等の熱膨張係数を得ることができ、さらに被削性も優れたものである。
本実施形態では、C、Si、Co、Niの含有量、およびC含有量とCo含有量との関係、Ni当量の範囲、ならびに製造条件については第1の実施形態と同様である。以下、第2の実施形態に特有な条件について説明する。
Mnは脱酸に有効な元素であり、また、後述のようにSと硫化物を形成して被削性の向上に重要な役割を果たす。その含有量が0.25%未満ではその効果が少なく、0.6%を超えると熱膨張係数の増加が大きくなる。したがって、Mn含有量を0.25〜0.6%の範囲とする。
SはMnと硫化物を形成し、被削性向上に寄与するため、本実施形態では積極的に添加する。しかし、合金中に多量に含まれると、低融点のFeSが結晶粒界に生成して脆化し、延性の低下や割れの原因となり、0.035%を超えると複雑形状や大型の鋳造品に凝固割れを生じやすくなる。一方、その含有量が0.015%未満では被削性向上効果が小さい。したがって、S含有量を0.015〜0.035%の範囲とする。
(ただし、[Mn]、[S]はこれらの含有量、tは鋳造品の最大肉厚(mm)を表す)
[Mn]/[S]は、硫化物の生成量や組成を左右し、凝固割れの傾向を決定する重要なパラメータとなる。また凝固割れの傾向は、MnとSの比のみならず、tにも影響される。前述のMnおよびSの範囲において、[Mn]/[S]が46−1335/t+13430/t2未満では、Sに対しMnが不足し、過剰なSが上述のFeSを形成し、凝固割れ等の原因となる。一方、[Mn]/[S]が46−1335/t+13430/t2以上では、Sは高融点のMnSとして存在するため凝固割れを起こしにくくなる。
第1の実施例は、第1の実施形態に対応するものである。
ここでは、表1に示す各化学組成の合金を高周波誘導炉で大気溶解し、JIS
G0307の図1b)に準拠した供試材を鋳造した。いずれも鋳型にはCO2法珪砂型を用いた。
第2の実施例は、第2の実施形態に対応するものである。
ここでは、表2に示す各化学組成の合金を高周波誘導炉で大気溶解し、JIS
G0307の図1b)に準拠した供試材および60mm×250mm×25mmの被削性試験片を、また表2のNo.21〜No.24とNo.37の合金については図3に示す凝固割れ試験片を鋳造した。いずれも鋳型にはCO2法珪砂型を用いた。
第3の実施例は、製造条件に関するものである。
ここでは、まず、表1のNo.5の組成を有し、表3に示す条件1〜13の各熱処理条件で熱処理した複数の試験体を準備し、熱膨張係数を求めた。その結果を表4に示す。表4に示すように、700〜950℃の温度範囲で加熱後、5℃/sec.以上の冷却速度で、450℃以下まで冷却する条件を満たす条件5、6、8、9、11であれば、熱膨張係数が1×10-6/℃以下となり、割れも発生しないことが確認された。これに対し、これを外れる条件1、2、3、4、7、10、12では熱膨張係数が1×10-6/℃を超え、条件13では熱膨張係数が1×10-6/℃以下であるが、試験体に微細な割れが認められた。
Claims (5)
- 質量%で、
C :0.02%超、0.15%以下、
Si:0.3%以下、
Mn:0.25〜0.6%、
Ni:29〜32.5%、
Co:5〜9.5%
を含有し、
かつC含有量(質量%)を[C]、Co含有量(質量%)を[Co]と表した場合に、これらが(a)[Co]≧40×[C]+3、(b)[C]≦0.15、(c)[Co]≦(70/3)×[C]+6、(d)[C]>0.02、(e)[Co]≧−20×[C]+6を満たす範囲であり、
Ni含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]で表した場合に、[Ni]+0.8×[Co]と表されるNi当量が、35.5〜36.5%の範囲であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる(ただし、C:0.052%、Si:0.19%、Mn:0.61%、Ni:32.21%、Co:5.07%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を除く)ことを特徴とする低熱膨張鋳造合金。 - 質量%で、
C :0.02%超、0.15%以下、
Si:0.3%以下、
Mn:0.25〜0.6%、
S:0.015〜0.035%
Ni:29〜32.5%、
Co:5〜9.5%
を含有し、
かつC含有量(質量%)を[C]、Co含有量(質量%)を[Co]と表した場合に、これらが(a)[Co]≧40×[C]+3、(b)[C]≦0.15、(c)[Co]≦(70/3)×[C]+6、(d)[C]>0.02、(e)[Co]≧−20×[C]+6を満たす範囲であり、
かつNi含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]で表した場合に、[Ni]+0.8×[Co]と表されるNi当量が、35.5〜36.5%の範囲であり、
さらに、Mn含有量(質量%)を[Mn]、S含有量(質量%)を[S]、鋳造品の最大肉厚(mm)をtで表した場合に、[Mn]/[S]≧46−1335/t+13430/t2を満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする低熱膨張鋳造合金。 - 請求項1または請求項2に記載の組成を有し、20〜25℃の平均熱膨張係数が1×10-6/℃以下であることを特徴とする低熱膨張鋳造合金。
- 請求項1または請求項2に記載の組成を有し、20〜25℃の平均熱膨張係数が0.5×10-6/℃以下であることを特徴とする低熱膨張鋳造合金。
- 請求項1または請求項2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低熱膨張鋳造合金の製造方法。
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