JP2021123736A

JP2021123736A - 低熱膨張鋳物

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Publication number: JP2021123736A
Application number: JP2020016337A
Authority: JP
Inventors: 晴康大野; Haruyasu Ono; 信吾松村; Shingo Matsumura; 浩太郎小奈; Kotaro Ona
Original assignee: Shinhokoku Steel Corp
Current assignee: Shinhokoku Steel Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-30
Anticipated expiration: 2040-02-03
Also published as: JP7541705B2

Abstract

【課題】経年変化が小さく、さらに被削性に優れた低熱膨張鋳物を提供する。
【解決手段】低熱膨張鋳物の化学成分を、質量％で、Ｃ：１．００〜２．５０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｎｉ：２８．００〜４０．００％、Ｃｏ：０〜１０．００％、Ｍｇ：０〜０．０９０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物とし、かつ、固溶Ｃ量を０．０８質量％以下とする。
【選択図】なし

Description

本発明は低熱膨張合金鋳物に関し、特に、経時寸法変化（以下「経年変化」という）が小さく、かつ被削性に優れた低熱膨張鋳物に関する。

エレクトロニクスや半導体関連機器、レーザ加工機、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。一方、精密機器の構成部品に使用される低熱膨張合金においては、長期間にわたる経年変化の問題が指摘されている。

特許文献１は、この課題を解決する手段として、γ膨張の原因と考えられるＣに加えて、Ｂ、Ｎの含有量を適切な範囲に設定することにより得られる、経年変化が±０．５ｐｐｍ／年以内の低熱膨張鋳鋼及び鍛鋼品を開示している。

一方、従来インバー合金は被削性が低いため、実用化されているのはかなり狭い分野に限定されるという問題があった。

特許文献２は、この課題を解決する手段として、鋳造過程において黒鉛が合金組織内に晶出できる成分を有する低熱膨張鋳鉄を開示している。

特開２０１８−１７８１５１号公報特開平６−１７２９１９号公報

精密機器の構成部品に使用する合金には、加工の容易性の観点から、優れた被削性が求められる。

特許文献１のような経年変化が小さい低熱膨張鋳鋼の被削性を向上させるためには、特許文献２のようにＣ含有量を増やし、黒鉛を晶出させることが考えられる。しかしながら、Ｃ量の増加に伴い固溶Ｃ量が増加すると、経年変化は大きくなる。これは、鋼中に固溶したＣが、時間の経過とともに拡散したり析出したりすることによって、鋼の構造がわずかに変化するためと考えられる。

本発明は、上記の事情に鑑み、経年変化が小さく、さらに被削性に優れた低熱膨張鋳物を提供することを課題とする。

本発明者らは、経年変化が小さく、さらに被削性に優れた低熱膨張鋳物を得る方法を鋭意検討した。その結果、Ｃ含有量を増やし黒鉛を晶出させ被削性を高めた場合であっても、適切な熱処理を施すことにより固溶Ｃ量を減少させることができ、γ経年変化が小さく、かつ、被削性に優れた低熱膨張鋳物が得られることを知見した。

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：１．００〜２．５０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｎｉ：２８．００〜４０．００％、Ｃｏ：０〜１０．００％、Ｍｇ：０〜０．０９０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、固溶Ｃ量が０．０８質量％以下であることを特徴とする低熱膨張鋳物。

（２）質量％で、Ｍｇ：０．０４０〜０．０９０％を含有することを特徴とする前記（１）の低熱膨張鋳物。

（３）２５〜１００℃の平均熱膨張係数が５．０×１０^-6／℃以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）の低熱膨張鋳物。

（４）前記（１）〜（３）のいずれかの低熱膨張鋳物を製造する方法であって、質量％で、Ｃ：１．００〜２．５０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｎｉ：２８．００〜４０．００％、Ｃｏ：０〜１０．００％、Ｍｇ：０〜０．０９０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である凝固後の鋳片に、５００〜７００℃で３０〜６０時間保持する熱処理を施す工程を含むことを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。

本発明によれば、経年変化が小さく、さらに被削性に優れた低熱膨張鋳物が得られるので、長期間にわたるわずかな寸法変化が問題となるような精密機器の構成部品等に適用でき、さらに精密機器の構成部品への加工を容易に行えるようになる。

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、本発明の鋳物の成分組成について説明する。

［Ｃ：１．００〜２．５０％］
Ｃは、鋳物中に黒鉛として晶出し被削性を高める元素である。この効果を得るために、Ｃ量を１．００以上、好ましくは１．５０％以上とする。Ｃ量が多すぎると、機械的強度が低下し、鋳造性が低下することがあるので、Ｃ量は２．５０％以下、好ましくは２．４０％以下とする。なお、Ｃは黒鉛として晶出するＣと、鋳物中に固溶するＣに分かれる。ここで規定されるＣ量は、黒鉛として晶出するＣ、鋳物中に固溶するＣを含む、全Ｃ量である。固溶Ｃ量については後述する。

［Ｓｉ：２．５０％以下］
Ｓｉは、脱酸材として添加される。また、黒鉛の晶出を促進させる元素でもある。本発明の低熱膨張鋳物は黒鉛化促進元素であるＮｉを３０％程度含有するので、Ｓｉは必須ではなく含有量は０でもよいが、２．５０％以下の範囲で含有させてもよい。Ｓｉ量が多すぎると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は２．５０％以下、好ましくは２．１０％以下とする。

［Ｍｎ：１．００％以下］
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０．１０％以上とするのが好ましい。Ｍｎの含有量が１．００％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｍｎ量は１．００％以下、好ましくは０．５０％以下とする。Ｍｎは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

［Ｎｉ：２８．００〜４０．００］
Ｎｉは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。本発明の低熱膨張鋳物は、２５〜１００℃の平均熱膨張係数が５．０×１０^-6／℃以下である。この熱膨張係数は、主として、Ｎｉ及びＣｏの含有量を適切な範囲とすることで得られる。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。熱膨張係数を十分に小さくするために、Ｎｉ量は２８．００〜４０．００％、好ましくは３０．００〜３７．００％の範囲とする。

［Ｃｏ：０〜１０．００％］
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。Ｃｏの含有量は０であってもよい。所望の熱膨張係数を得るため、Ｃｏの範囲は０〜１０．００％、好ましくは０〜９．００％とする。

［Ｍｇ：０〜０．０９０％］
Ｍｇは黒鉛を球状化して晶出させる元素であり、必要に応じて含有させることができる。この効果を得るためには、Ｍｇの含有量を０．０４０％以上とすることが好ましい。Ｍｇは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

［固溶Ｃ：０．０８％以下］
固溶Ｃは粒界、又は粒内に固溶し、時間の経過とともに拡散したり炭化物として析出したりする。その結果、わずかに鋳物の寸法を変化させる。本発明の低熱膨張鋳物では、経年変化を極力小さくするために、固溶Ｃ量を０．０８％以下とする。固溶Ｃ量を０．０８％以下とする方法については後述する。ここで、固溶Ｃ量は、鋳物の化学組成のＣ含有量から、鋳物中の黒鉛及び炭化物の量を引いた値として求められる。鋳物中の黒鉛及び炭化物の量は、鋳物に対して抽出残渣分析を実施する公知の方法から得ることができる。

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鋳物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。

次に、本発明の低熱膨張鋳物を得るための製造方法について説明する。

はじめに、上記の化学成分を有する鋳片を製造する。鋳片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。

続いて、凝固後の鋳片を５００〜７００℃で３０〜６０時間保持する熱処理を施す。この処理により、鋳物中に固溶したＣの黒鉛としての析出をさらに促進させ、鋳物中の固溶Ｃ量を減少させる。これにより、経年変化が小さく、さらに被削性に優れた低熱膨張鋳物が得ることができる。

さらに必要に応じて、冷却後の鋳物を３００〜３５０℃に加熱し、１〜５時間保持する応力除去焼きなまし処理を施してもよい。これにより、凝固、冷却の過程で生じた残留応力を除去することができる。

［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片を製造した。その後、表１に記載の熱処理を施し鋳物を得た。

得られた各鋳物から、φ５×２０Ｌの試験片を加工して、熱膨張測定装置により、２５℃から１００℃の平均熱膨張係数を求めた。

また、Ｎｏ．２、３、７、８、１２、１３について、９ｍｍ×３５ｍｍ×２００ｍｍの直方体の試料を作製し、９×３５端面間の長さを測定することで２４か月の経年変化を調査した。試料の長さ方向の平行度は０．０１、９×２００面と２００×３５面の直角度は０．１であった。測定面平面度交差はＪＩＳＢ７５０６のＫ級とした。

結果を表１に示す。

本発明の低熱膨張鋳物は固溶Ｃ量が少なく、経年変化が小さいことが確認できた。これに対して、比較例では固溶Ｃ量が多く、経年変化が大きくなった。なお、Ｎｏ．１３は、従来の経年変化が小さい低熱膨張鋳鋼を使用した参考例である。本発明の低熱膨張鋳物は、従来知られている経年変化が小さい低熱膨張鋳鋼と同等の経年変化であることが確認できた。

［実施例２］
表１に示したＮｏ．２、３、７、１２、１３の成分組成を有する鋳物について、ドリル（コバルトハイス、ドリル径２．６ｍｍ）を用いて、切削油を使用し、切削速度：４５ｍ／ｍｉｎ、１回転あたりの送り量：０．０１３ｍｍ／ｒｅｖで、深さ１３ｍｍの穴あけ加工を行ったときの切削抵抗で被削性を評価した。評価は、切削時に測定したスラストとトルクの平均値で行った。

Ｃ量の多いＮｏ．２，３，７，１２は、Ｎｏ．１３と比べてスラスト及びトルクともに低い値となり切削抵抗が小さく、高い被削性を示すことが確認できた。実施例１とあわせて、本発明例のＮｏ．２，３，７については、経年変化が少なく、かつ、被削性に優れた低熱膨張鋳物が得られたことが確認できた。

Claims

質量％で、
Ｃ：１．００〜２．５０％、
Ｓｉ：２．５０％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｎｉ：２８．００〜４０．００％、
Ｃｏ：０〜１０．００％、
Ｍｇ：０〜０．０９０％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
固溶Ｃ量が０．０８質量％以下
であることを特徴とする低熱膨張鋳物。
質量％で、Ｍｇ：０．０４０〜０．０９０％を含有することを特徴とする請求項１に記載の低熱膨張鋳物。
２５〜１００℃の平均熱膨張係数が５．０×１０^-6／℃以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低熱膨張鋳物。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の低熱膨張鋳物を製造する方法であって、
質量％で、
Ｃ：１．００〜２．５０％、
Ｓｉ：２．５０％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｎｉ：２８．００〜４０．００％、
Ｃｏ：０〜１０．００％、
Ｍｇ：０〜０．０９０％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である凝固後の鋳片に、５００〜７００℃で３０〜６０時間保持する熱処理を施す工程を含む
ことを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。