JP6628902B2 - 低熱膨張合金 - Google Patents
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Description
本発明は高いヤング率を有する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、レーザー加工機、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、従来のインバー合金には、ヤング率が一般鋼材の２分の１程度と小さいという問題があった。そのため、対象となる部品の肉厚を厚くするなどの、高剛性化設計を行う必要があった。
特許文献１は、耐ガラス腐食性にすぐれた光学ガラスレンズプレス成形用低熱膨張Ｃｏ基合金製金型として、高い弾性係数を有し、線熱膨張係数が２〜８×１０-6／Ｋをもつ合金を開示している。この合金は、望ましくは［１１１］の結晶方位を金型のプレス軸に配向させた単結晶組織をもつ。
特許文献２は−５０℃を下回る極低温域において常温近傍と同等の優れた低熱膨張特性を示す低熱膨張Ｃｏ基合金である。
特許文献１に開示された合金は、２〜８×１０-6／Ｋという、比較的低い熱膨張係数を有するが、超精密加工機器の部品材料として使用するためには、さらに低い熱膨張係数が求められる。また、特許文献１に開示された合金は単結晶であるため、製造に時間がかかるという欠点がある。
特許文献２に開示された合金は−５０℃を下回る極低温域で優れた熱膨張特性を示すが、組織が３相組織からなることで組織が不安定になり、−１５０℃以下ではマルテンサイト変態が開始され、熱膨張特性が失われるため、使用可能な温度環境が制限される。例えば極寒冷地や月面、近年の電波望遠鏡などの精密機器の使用温度の極低温化などの問題がある。
本発明は、上記の問題を解決し、通常の鋳造により製造可能であり、高いヤング率、低い熱膨張係数を有し、さらに、低温でも安定した組織を有する、低熱膨張合金及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、高いヤング率と低い熱膨張係数を両立し、さらに低温でも安定した組織を有する低熱膨張合金を得る方法を鋭意検討した。その結果、特に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの含有量を最適化することにより、高いヤング率と低い熱膨張係数を合わせ持ち、さらに低温でも安定な低熱膨張合金を得ることができることを見出した。
通常の低熱膨張合金においても、成分組成の調整により、ヤング率と熱膨張係数をある程度調整することができる。しかしながら、ヤング率と熱膨張係数は、ほぼトレードオフの関係にある。すなわち、ヤング率が高くなると、熱膨張係数も大きくなる関係にあり、従来のＦｅ−ＮｉあるいはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金では高ヤング率化に限界があった。
本発明者らは、低熱膨張合金において、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｃｒ合金の成分組成を最適化することにより、小さい熱膨張係数でもヤング率が向上することを発見した。さらに、オーステナイトが−１９６℃以下の低い温度おいても安定な組織となるので、極寒冷地、極低温の使用環境化でもマルテンサイト変態が進行して低熱膨張特性が失われることがないことを見出した。
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。
（１）質量％で、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％、及びＳｅ：０〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの含有量［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｍｎ］が５５．７≦２．２［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＋１．７［Ｍｎ］≦５６．７を満たし、組織がオーステナイト単相であることを特徴とする低熱膨張合金。
（２）前記（１）の低熱膨張合金の製造方法であって、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％、及びＳｅ：０〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの含有量［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｍｎ］が５５．７≦２．２［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＋１．７［Ｍｎ］≦５６．７を満たす合金を、７００〜１０５０℃に加熱した後、炉内で冷却することを特徴とする低熱膨張合金の製造方法。
本発明によれば、高いヤング率、低い熱膨張係数を有し、さらに、低温でも安定した組織を有する、低熱膨張合金が得られるので、熱的に安定でありかつ高い剛性が必要となる部品等に適用できる。
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、本発明の合金の成分組成について説明する。
Ｃは、オーステナイトの低温安定性の向上に寄与するが、Ｃの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなり、延性が低下し、さらに、合金の経年変化が大きくなるので、含有量は０．０４０％以下、好ましくは０．０２０％以下とする。Ｃは必須の元素ではなく、含有しなくてもよい。
Ｓｉは、脱酸材として添加される。凝固後の合金にはＳｉが含有される必要はないが、現実的には含有量を０とすることは難しく、０．０１％以上含有してもよい。Ｓｉ量が多くなると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．２５％以下、好ましくは０．２０％以下とする。溶湯の流動性を向上させるためには、Ｓｉは０．１０％以上含有させることが好ましい。
Ｍｎは、脱酸材として添加される。また、固溶強化による強度向上にも寄与する。さらに、本発明においては、オーステナイトの低温安定性の向上に寄与し、−１９６℃でもマルテンサイト変態しないようになる。この効果を得るためには、Ｍｎを０．１５％以上含有させる。Ｍｎの含有量が０．５０％を超えても効果が減少し、コスト高となるので、Ｍｎ量は０．５０％以下とする。好ましくは０．３０％以下とする。
Ｃｒは耐食性を確保するのに重要な元素であり、また、Ｃｏとの最適な組み合わせにより低熱膨張が得られる。耐食性確保のためにＣｒの含有量は８．５０％以上とする。Ｃｒ量が多くなりすぎると熱膨張係数が大きくなるため、Ｃｒ量は１０．０％以下とする。
Ｎｉは、Ｃｏとの組み合わせにより熱膨張係数の低下に寄与する。また、オーステナイトの低温安定性の向上に寄与し、−１９６℃でもマルテンサイト変態しないようになる。所望の熱膨張係数を得るため、Ｎｉの範囲は０〜５．００％、好ましくは１．５０〜５．００％とする。
Ｃｏは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。Ｃｏ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。本発明においては、Ｃｏ量は４３．０〜５６．０％の範囲とする。好ましい下限は４５．０％であり、より好ましい下限は４８．０％である。好ましい上限は５４．０％であり、より好ましい上限は５２．０％である。
本発明の低熱膨張合金は、オーステナイトが安定であり、オーステナイト単相の組織を有する。この組織は、ＮｉとＣｏ、さらにＭｎのバランスを適正な範囲とすることにより得られ、熱膨張係数を低くすることができる。オーステナイト単相の組織、及び低い熱膨張係数を得るためには、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの含有量（質量％）［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｍｎ］を、５５．７≦２．２［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＋１．７［Ｍｎ］≦５６．７を満たすようにする。
組織がオーステナイト単相であるか否かは、Ｘ線回折で調べることができる。本発明では、Ｘ線回折パターンにおいてオーステナイトとフェライトの強度比を求め、フェライトのピークがない場合、またはオーステナイトの強度がフェライトの強度の１００倍以上であればオーステナイト単相であると判断する。
この他に、被削性が要求される場合には、ＳあるいはＳｅをそれぞれ０．０５０％以下の範囲で添加してもよい。
成分組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物とは、本発明で規定する成分組成を有する鋼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をいう。具体的には、Ａｌ、Ｓ、Ｐ、Ｃｕなどが挙げられる。これらの元素が不可避的に混入する場合の含有量は０．０１％以下程度である。
次に、本発明の低熱膨張合金の製造方法について説明する。
本発明の高剛性低熱膨張合金の製造に用いる鋳型や、鋳型への溶鋼の注入装置、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。
得られた鋳鋼また１１００℃にて鍛造を施して得られた鍛鋼を７００〜１０５０℃に加熱し、０．５〜５ｈｒ保持した後、炉内冷却する。冷却速度は遅いほうが好ましく、１０℃／分以下が好ましく、５℃／分以下がより好ましい。
本発明の高剛性低熱膨張合金は、高いヤング率、低い熱膨張係数を有し、さらに、低温でも安定した組織を有する。具体的には、１６０ＧＰａ以上、好ましくは１７０ＧＰａ以上のヤング率、±１．０×１０-6／℃以内、好ましくは±０．５×１０-6／℃以内の熱膨張係数を有し、マルテンサイト変態点が−１９６℃より低い、好ましくは−２６９℃より低い。
［実施例１］
表１に示す成分組成となるように調整した溶湯を鋳型に注湯し鋳鋼を製造した。鋳鋼は、φ１００×３５０とし、１０００℃×２ｈｒの熱処理を施し、炉内で冷却し、それぞれの試験片サイズに切り出し試験片とした。製造した試験片に対して３１５℃で２ｈｒ熱処理して最終的な合金を得た。
表１に示す成分組成となるように調整した溶湯を鋳型に注湯し鋳鋼を製造した。鋳鋼は、φ１００×３５０とし、１０００℃×２ｈｒの熱処理を施し、炉内で冷却し、それぞれの試験片サイズに切り出し試験片とした。製造した試験片に対して３１５℃で２ｈｒ熱処理して最終的な合金を得た。
製造した試験片について、ヤング率、熱膨張係数、オーステナイト分率、−１９６℃及び−２６９℃の組織安定性を測定した。
ヤング率は室温にて二点支持横共振法で測定した。熱膨張係数は、熱膨張測定機を用い、０〜６０℃の平均熱膨張係数として求めた。オーステナイト分率は、Ｘ線回折を使用し、オーステナイトとフェライトの強度比で求めた。
図１にＸ線回折の一例を示す。（ａ）は実施例１９（発明例）、（ｂ）は実施例１５（比較例）のものである。
−１９６℃の組織安定性は、試験片を−１９６℃及び−２６９℃まで冷却して１時間保持した後に組織を観察し、マルテンサイトの有無を観察し、各温度にてマルテンサイトがなかった場合に組織安定性を「○」、マルテンサイトが観察された場合に組織安定性を「×」とした。
結果を表１に示す。表１に示すとおり、本発明例の合金は、１×１０-6／℃以下の低い熱膨張係数を有し、１６０ＧＰａ以上と高いヤング率を有し、さらに、組織がオーステナイトであり、−１９６℃においても組織が安定であるという結果となった。
［実施例２］
表２に示す成分組成となるように調整した溶湯を、φ１００×３５０の鋳型に注湯した。この鋳塊を１１５０℃に加熱した後、鍛造して、φ５０の鍛鋼とした上、１０００℃×２ｈｒの熱処理を施し、炉内で冷却し、それぞれの試験片サイズに切り出し試験片とした。また、実施例３９及び４０の熱処理は、鍛造前に１２００℃の拡散処理を、鍛造後は８００℃×２ｈｒの熱処理を施し、水冷しそれぞれの試験片サイズに切り出し試験片とした。それぞれ製造した試験片に対して、３１５℃で２ｈｒ熱処理して、最終的な合金を得た。
表２に示す成分組成となるように調整した溶湯を、φ１００×３５０の鋳型に注湯した。この鋳塊を１１５０℃に加熱した後、鍛造して、φ５０の鍛鋼とした上、１０００℃×２ｈｒの熱処理を施し、炉内で冷却し、それぞれの試験片サイズに切り出し試験片とした。また、実施例３９及び４０の熱処理は、鍛造前に１２００℃の拡散処理を、鍛造後は８００℃×２ｈｒの熱処理を施し、水冷しそれぞれの試験片サイズに切り出し試験片とした。それぞれ製造した試験片に対して、３１５℃で２ｈｒ熱処理して、最終的な合金を得た。
結果を表２に示す。表２に示すとおり、本発明例の合金は、１×１０-6／℃以下の低い熱膨張係数を有し、１６０ＧＰａ以上と高いヤング率を有し、さらに、組織がオーステナイトであり、−１９６℃においても組織が安定であるという結果となった。
Claims (2)
- 質量％で、
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％、及び
Ｓｅ：０〜０．０５０％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの含有量［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｍｎ］が
５５．７≦２．２［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＋１．７［Ｍｎ］≦５６．７
を満たし、
組織がオーステナイト単相である
ことを特徴とする低熱膨張合金。 - 請求項１に記載の低熱膨張合金の製造方法であって、
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％、及び
Ｓｅ：０〜０．０５０％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの含有量［Ｎｉ］、［Ｃｏ］、［Ｍｎ］が
５５．７≦２．２［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＋１．７［Ｍｎ］≦５６．７
を満たす合金を、
７００〜１０５０℃に加熱した後、炉内で冷却する
ことを特徴とする低熱膨張合金の製造方法。
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