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技術 低熱膨張鋳物及びその製造方法

出願人 新報国製鉄株式会社
発明者 坂口直輝大野晴康小奈浩太郎
出願日 2019年1月30日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2019-014478
公開日 2020年8月13日 (6ヶ月経過) 公開番号 2020-122180
状態 未査定
技術分野 磁性鉄合金の熱処理
主要キーワード カーボン繊維強化プラスチック 振動吸収能 二点支持 半導体関連機器 一般鋼材 スーパーインバー合金 低熱膨張合金 黒鉛組織
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年8月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題

室温で高い耐力を有し、さらに高い剛性を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を提供する。

解決手段

成分組成が、質量%で、C:0〜0.1%、Si:0〜0.5%、Mn:0〜0.5%、S:0〜0.05%、Ni:29.0〜34.0%、Co:0〜8.0%、Ni:29.0〜34.0%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物である鋳物に適切な熱処理を施すことにより、オーステナイト組織平均粒径が200μm超えて600μm未満であり、0.2%耐力が350MPa以上であり、ヤング率が130GPa以上であり、18〜28℃における平均熱膨張係数が2.0×10-6/℃以下である低熱膨張鋳物を製造する。

概要

背景

エレクトロニクス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。

一方、通信送受信設備に使用するパラボラアンテナ等にも低熱膨張鋳物が使用されるが、設備が非常に大型化しており、低熱膨張性はもとより、その加工精度、すなわち、鋳造性被削性振動吸収能および機械的強度などが高いものが要求される。たとえば、アンテナ反射体としては、高い剛性耐食性を有するカーボン繊維強化プラスチック(CFRP)が一般的に用いられている。

CFRPの熱膨張係数は約1.5×10-6/℃と極めて小さく、成形後においても高い寸法精度を確保するためには、成形用金型を、同程度の熱膨張係数を有する材料で構成する必要がある。そのため、インバー合金や、スーパーインバー合金が成形用金型の材料として選択される。

特許文献1には、低熱膨張で高剛性を必要とする複雑な形状を有する部材を鋳物として製造することを目的として発明された、鋳造のままでも高いヤング率を有し、従来よりも低いMs点を有する、高剛性低熱膨張鋳物が開示されている。

一方、高温で高い耐力を有する低熱膨張合金に関して、特許文献2は、成形用金型として、オ−ステナイト基地鉄中に黒鉛組織を有する鋳鉄において、重量%で表示した成分組成として固溶炭素を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合金を用いることを開示している。

特許文献3は、CFRP金型を含む超精密機器の部材として、C:0.1wt.%以下、Si:0.1〜0.4wt.%、Mn:0.15〜0.4wt.%、Ti:2超〜4wt.%、Al:1wt.%以下、Ni:30.7〜43.0wt.%、及び、Co:14wt.%以下を含み、且つ、前記Ni及びCoの含有率が、下記(1)式を満たし、残部Fe及び不可避不純物からなる成分組成を有し、そして、−40℃〜100℃の温度範囲における熱膨張係数が、4×10−6/℃以下で、且つ、ヤング率が、16100kgf/mm2以上である、熱的形状安定性及び剛性に優れた合金鋼を使用することを開示している。

概要

室温で高い耐力を有し、さらに高い剛性を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を提供する。成分組成が、質量%で、C:0〜0.1%、Si:0〜0.5%、Mn:0〜0.5%、S:0〜0.05%、Ni:29.0〜34.0%、Co:0〜8.0%、Ni:29.0〜34.0%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物である鋳物に適切な熱処理を施すことにより、オーステナイト組織平均粒径が200μm超えて600μm未満であり、0.2%耐力が350MPa以上であり、ヤング率が130GPa以上であり、18〜28℃における平均熱膨張係数が2.0×10-6/℃以下である低熱膨張鋳物を製造する。

目的

本発明は、上記の事情に鑑み、室温で高い耐力を有し、さらに高い剛性を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を提供する

効果

実績

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請求項1

成分組成が、質量%で、C:0〜0.1%、Si:0〜0.5%、Mn:0〜0.5%、S:0〜0.05%、Ni:29.0〜34.0%、Co:0〜8.0%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物であり、オーステナイト組織平均粒径が200μm超、600μm未満であり、23℃における0.2%耐力が350MPa以上であり、ヤング率が130GPa以上であり、18〜28℃における平均熱膨張係数が2.0×10-6/℃以下であることを特徴とする低熱膨張鋳物

請求項2

請求項1に記載の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5〜3hr保持し、室温まで昇温する第1クライオ処理工程、鋳物を1000〜1200℃に加熱し、0.5〜5hr保持した後急冷する再結晶処理工程、鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5〜3hr保持し、室温まで昇温する第2クライオ工程、鋳物を550〜700℃に加熱し、0.5〜5hr保持した後急冷する逆変態処理工程を順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。

技術分野

0001

本発明は低熱膨張鋳物及びその製造方法に関し、特に、高剛性、高強度を有する低熱膨張鋳物に関する。

背景技術

0002

エレクトロニクス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。

0003

一方、通信送受信設備に使用するパラボラアンテナ等にも低熱膨張鋳物が使用されるが、設備が非常に大型化しており、低熱膨張性はもとより、その加工精度、すなわち、鋳造性被削性振動吸収能および機械的強度などが高いものが要求される。たとえば、アンテナ反射体としては、高い剛性と耐食性を有するカーボン繊維強化プラスチック(CFRP)が一般的に用いられている。

0004

CFRPの熱膨張係数は約1.5×10-6/℃と極めて小さく、成形後においても高い寸法精度を確保するためには、成形用金型を、同程度の熱膨張係数を有する材料で構成する必要がある。そのため、インバー合金や、スーパーインバー合金が成形用金型の材料として選択される。

0005

特許文献1には、低熱膨張で高剛性を必要とする複雑な形状を有する部材を鋳物として製造することを目的として発明された、鋳造のままでも高いヤング率を有し、従来よりも低いMs点を有する、高剛性低熱膨張鋳物が開示されている。

0006

一方、高温で高い耐力を有する低熱膨張合金に関して、特許文献2は、成形用金型として、オ−ステナイト基地鉄中に黒鉛組織を有する鋳鉄において、重量%で表示した成分組成として固溶炭素を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合金を用いることを開示している。

0007

特許文献3は、CFRP金型を含む超精密機器の部材として、C:0.1wt.%以下、Si:0.1〜0.4wt.%、Mn:0.15〜0.4wt.%、Ti:2超〜4wt.%、Al:1wt.%以下、Ni:30.7〜43.0wt.%、及び、Co:14wt.%以下を含み、且つ、前記Ni及びCoの含有率が、下記(1)式を満たし、残部Fe及び不可避不純物からなる成分組成を有し、そして、−40℃〜100℃の温度範囲における熱膨張係数が、4×10−6/℃以下で、且つ、ヤング率が、16100kgf/mm2以上である、熱的形状安定性及び剛性に優れた合金鋼を使用することを開示している。

先行技術

0008

特開2016−027187号公報
特開平6−172919号公報
特開平11−293413号公報

発明が解決しようとする課題

0009

前述のように、高温で高い耐力を有する低熱膨張合金、高い剛性を有する低熱膨張合金は知られているが、複雑な形状を有するCFRP向け金型材や、主軸材スピンドル)などに好適な、鋳造で製造可能な、室温で高い耐力と高い剛性を有する低熱膨張鋳物は開発されていない。

0010

本発明は、上記の事情に鑑み、室温で高い耐力を有し、さらに高い剛性を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明者らは、高剛性、高耐力をあわせ持つ低熱膨張鋳物を得る方法について鋭意検討した。その結果、Niを所定量含有する鋳物に適切な熱処理を施すことにより、剛性、耐力をともに高めることが可能であることを見出した。

0012

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。

0013

(1)成分組成が、質量%で、C:0〜0.1%、Si:0〜0.5%、Mn:0〜0.5%、S:0〜0.05%、Ni:29.0〜34.0%、Co:0〜8.0%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物であり、オーステナイト組織平均粒径が200μm超、600μm未満であり、23℃における0.2%耐力が350MPa以上であり、ヤング率が130GPa以上であり、18〜28℃における平均熱膨張係数が2.0×10-6/℃以下であることを特徴とする低熱膨張鋳物。

0014

(2)前記(1)の成分組成を有する鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5〜3hr保持し、室温まで昇温する第1クライオ処理工程、鋳物を1000〜1200℃に加熱し、0.5〜5hr保持した後急冷する再結晶処理工程、鋳物を室温からMs点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5〜3hr保持し、室温まで昇温する第2クライオ工程、鋳物を550〜700℃に加熱し、0.5〜5hr保持した後急冷する逆変態処理工程を順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。

発明の効果

0015

本発明によれば、高い耐力を有し、さらに高い剛性を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を得ることができる。

図面の簡単な説明

0016

本発明の低熱膨張鋳物の製造方法における熱処理の概略を示す図である。

0017

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。

0018

Niは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。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。また、Ni量が多すぎると冷却によりマルテンサイト変態を生じさせるのが困難になる。以上を考慮して、Ni量は29.0〜34.0%の範囲とする。

0019

Ni以外の元素は必須の添加元素ではないが、必要に応じて、下記のとおり添加することができる。

0020

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。所望の熱膨張係数を得るため、Coの範囲は0〜8.0%とする。

0021

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。この効果を得るためには、Mn量を0.1%以上が好ましい。Mnの含有量が0.5%を超えても効果が飽和し、またマルテンサイト変態を生じさせるのが困難になるので、Mn量は0.5%以下、好ましくは0.3%以下とする。

0022

Cは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与する。Cの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなり、またマルテンサイト変態を生じさせるのが困難になるので、含有量は0.1%以下とする。

0023

Siは、脱酸材として添加される。Si量が0.5%を超えると熱膨張係数が増加するので、Si量は0.5%以下、好ましくは0.3%以下とする。溶湯流動性を向上させるためには、Siは0.1%以上含有させることが好ましい。

0024

Sは、被削性の向上を目的に含有させてもよい。ただし、FeSを形成し、結晶粒界晶出して熱間脆性の原因となるので、Sの含有量は0.05%以下とする。

0025

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、原料製造環境等から不可避的に混入するものをいう。

0026

本発明の鋳物の組織は、平均粒径が200μm超、600μm未満のオーステナイト組織である。組織は、さまざまな結晶方位を有する等軸晶を中心とし、その結果ヤング率の高い結晶方位である(111)や(110)などを有する結晶が一定割合以上含まれる。その結果、ヤング率が低い結晶方位(100)である柱状晶を中心とした通常の低熱膨張鋳物と比較して高いヤング率が得られる。

0027

組織のすべてが等軸晶である必要はないが、等軸晶の割合が面積率で60%以上であることが好ましい。等軸晶の割合が面積率で90%以上であればより好ましく、95%以上であればさらに好ましい。

0028

本発明の低熱膨張鋳物の優れた耐力は、23℃における引張試験の結果により評価できる。具体的には、本発明の低熱膨張鋳物は、23℃における引張試験で測定された0.2%耐力が350MPa以上の特性を有する。

0029

通常の低熱膨張鋳物においても、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る。

0030

本発明の低熱膨張鋳物では、130GPa以上のヤング率を得ることができる。

0031

本発明の低熱膨張鋳物は、さらに、18〜28℃における平均熱膨張係数が、2.0×10-6/℃以下と、低い熱膨張係数を得ることができる。

0032

次に、本発明の高剛性低熱膨張鋳物の製造方法について説明する。

0033

本発明の高剛性低熱膨張鋳物の製造に用いる鋳型や、鋳型への溶鋼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。鋳型で製造された鋳物の組織は柱状晶を中心とした組織となる。この鋳物に、以下の熱処理を施す。

0034

はじめに、鋳物を、Ms点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5〜3hr保持した後、室温まで昇温する(第1クライオ処理工程)。冷却の方法は特に限定されない。なお、ここでいうMs点は、本発明の効果が発現される前の段階でのMs点である。冷却温度はMs点よりも十分に低い温度とすればよいので、この段階での正確なMs点がわかる必要はない。一般的に、Ms点は鋼の成分を用いて、下記の式で推定できる。

0035

Ms=521−353C−22Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni
−17.7Cr−25.8Mo
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Moは各元素の含有量(質量%)である。含有しない元素は0とする。

0036

本発明の高剛性低熱膨張鋳物の成分組成の場合、上式で計算されるMs点は、特にNi量に依存して、室温から−100℃以下程度となるので、冷却媒体としては−80℃まではドライアイスメチルアルコ−ルあるいはエチルアルコールが用いることができる。さらに低温の−196℃までは液体窒素に浸漬する方法あるいは液体窒素を噴霧する方法が用いることができる。これに依り、マルテンサイトを含有した組織が形成される。また、昇温は室温の大気中に引き上げることで行えばよい。

0037

次に、鋳物を1000〜1200℃まで再加熱し、1000〜1200℃で0.5〜5hr保持し、室温まで急冷する(再結晶処理工程)。これにより、マルテンサイトが形成された組織はオーステナイト組織へと戻る。通常の凝固により形成される組織の結晶粒径は1〜10mm程度であるが、上記のクライオ処理工程と、その後の再結晶処理工程を経ることでで、オーステナイト粒径微細化するとともに、結晶方位がランダムな等軸晶中心の組織となり,その後結晶粒成長が起こる。急冷後の組織は、等軸晶の平均粒径が200μm超、800μm未満の組織となる。急冷の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。

0038

急冷前の再加熱温度が1000℃未満となると、オーステナイト結晶は、結晶粒成長は起こらずに微細化したままである。オーステナイト結晶が微細化すると、オーステナイトが安定しMs点が低くなる。その結果、続く第2クライオ工程におけるマルテンサイト量が少なくなるため、その後の逆変態処理工程で所望の0.2%耐力が得にくくなる。

0039

再結晶処理に続いて、鋳物を再度、Ms点以下まで冷却し、Ms点以下の温度で0.5〜3hr保持した後、室温まで昇温する(第2クライオ処理工程)。第2クライオ処理工程の冷却、昇温は第1クライオ処理工程と同様に行えばよい。この処理により、鋳物の組織は、再度マルテンサイトを含有する組織となる。

0040

続いて、鋳物を550〜700℃に加熱し、0.5〜5hr保持した後、室温まで急冷する(逆変態処理工程)ことにより、組織をオーステナイトとする。前の第2クライオ処理工程で組織がマルテンサイト変態した際の変形は剪断変形である。その際のひずみ(転位)が、逆変態処理によりオーステナイトとなった組織に残留する。これにより、23℃における0.2%耐力が350MPa以上と、高い耐力を得ることができる。

0041

マルテンサイト組織は550℃以上に加熱することによりオーステナイトに戻るが、加熱温度が700℃を超えると転位を駆動力としてオーステナイトが再結晶するので、加熱温度は700℃以下とする。なお、第2クライオ処理工程、逆変態処理工程により、オーステナイト結晶粒の大きさは変化しない。

0042

以上の熱処理の概略を、図1に示す。

0043

第1クライオ処理工程の前に、鋳物を800〜1200℃に加熱して、0.5〜5hr保持し、室温まで急冷する溶体化処理工程を設けてもよい。溶体化により、鋳造時に析出した析出物が固溶して、延性靭性が向上する。急冷の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。

0044

鋳物を製造する際には、溶湯に接種材としてNb、Ti、B、Mg、Ce、Laを含有させることにより、凝固核を生成しやすくしてもよい。また、通常鋳型に塗布される塗型材とともに、Co(AlO2)、CoSiO3、Co−borate等のような接種材を鋳型表面に塗ることにより、凝固核が生成しやすくしてもよい。さらに、鋳型内の溶湯を、電磁撹拌装置を用いた方法、鋳型を機械的に振動させる方法、溶湯を超音波で振動させる方法などで、撹拌流動させてもよい。これらの方法を適用することで、鋳物の組織がより等軸晶となりやすくなるため、より効率よく、本発明の高剛性低熱膨張鋳物が製造できるようになる。

0045

表1に記載の成分を有するように調整した溶湯を鋳型に注湯し、鋳物(Yブロック)を製造した。得られた鋳物に、前述した第1クライオ処理、再結晶処理、第2クライオ処理、逆変態処理を施した。

0046

表2の第1クライオ処理、及び第2クライオ処理欄に「○」と記載された実施例では、すべて、鋳物を液体窒素に浸漬し、1.0hr保持する条件で施した。また、再結晶処理工程、及び逆変態処理工程における保持温度は表2に記載の温度とし、保持時間はすべて、4.0hrとした。なお、熱処理欄に「−」と記載されているものは、その処理を施さなかったことを示す。

0047

また、熱処理欄に「溶体化」とかかれたものは、クライオ処理、再結晶処理、逆変態処理は施さず、鋳物を850℃に加熱し、2.0hr保持した後室温まで急冷する溶体化処理のみを施したことを意味する。

0048

Yブロックより,ヤング率試験片(7t×16w×125L),引張試験片(JIS G 0567準拠),熱膨張試験片(φ6×25L)を採取し,室温にて二点支持共振法によりヤング率、引張試験のオフセット法により0.2耐力,熱膨張測定機を用い18〜28℃の平均熱膨張係数を測定した。

0049

得られた鋳物の特性を表2に示す。本実施例においては、ヤング率130GPa以上、23℃における0.2%耐力が350MPa以上、18〜28℃における平均熱膨張係数が2.0×10-6/℃以下を良好な特性と判断した。

0050

この結果から、前述した成分組成を有する鋳物に所定の熱処理を施すことにより、高い耐力を有し、さらに高い剛性を有し、かつ、低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物が得られることが確認できた。

0051

実施例

0052

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