JPH1060528A - 高強度インバ−合金板の製造方法 - Google Patents

高強度インバ−合金板の製造方法

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JPH1060528A
JPH1060528A JP8232617A JP23261796A JPH1060528A JP H1060528 A JPH1060528 A JP H1060528A JP 8232617 A JP8232617 A JP 8232617A JP 23261796 A JP23261796 A JP 23261796A JP H1060528 A JPH1060528 A JP H1060528A
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less
temperature
rolling
thermal expansion
alloy
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Shinji Tsuge
信二 柘植
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 室温から液体窒素温度にかけての低温域にお
いても十分に低い熱膨張係数を示し、しかも高い強度を
備えたインバ−合金の製造手段を確立する。 【解決手段】 C:0.10%以下,Si:0.35%以下,Mn:
1.0%以下,P:0.015%以下,S:0.005%以下,Cr:0.3
%以下,Ni:35〜37%,Mo:0〜 0.5%,V:0〜0.05
%,Al:0.01%以下,Nb:0〜 1.0%,B:0〜 0.005
%,N:0.005%以下を含有すると共に残部がFe及び不可
避的不純物より成るインバ−合金に対して、少なくと
も、式「T(℃)=950+110×Nb(%)1/2+500
×C(%) 」にて算出される温度T(℃)を下回る冷間域
以外の温度域で30%以上の累積圧下率が確保される圧
延を施す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、室温以下での熱膨張
係数が十分に低く、かつ高い強度を有するインバ−合金
板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術とその課題】34〜45%(以降、 成分割合を表
す%は重量%とする)のNiを含有するFe−Ni系の低熱膨
張インバ−合金は極低温から約300℃程度までの比較
的広い温度域にわたって低い熱膨張率を示すことから、
従来、この特徴を生かして、液化天然ガスの輸送用船舶
のタンク,大型テレビジョンや静止画像用ブラウン管の
シャド−マスク,ICリ−ドフレ−ム,ガラス封着材料
等の用途に多用されてきた。なお、上記インバ−合金に
対してより強く求められる特性は“使用される温度域”
や“合金部材に要求される熱膨張係数の程度”によって
異なるが、室温以下での用途に供される所謂“36Ni合
金”の場合は、特に小さい熱膨張係数を利用するために
開発されたものであるので「熱膨張特性」が最も重要な
特性とされている。
【0003】前記インバ−合金の熱膨張率が著しく小さ
な値を示す理由については古くから研究されており、そ
の結果、“Fe原子が低温で磁気モ−メントと体積の大き
な状態に遷移するために発生する自発体積磁歪”が熱収
縮を打ち消すためであると考えられるようになった。こ
のように、インバ−合金の熱膨張特性が合金中のFe原子
の磁性に支配されていると結論されているが、この現象
自体については十分に解明されていない部分を有してい
る。
【0004】ところで、インバ−合金の“室温付近での
熱膨張係数”の低下にはC,Si,Mn等の合金元素含有量
の低減が有効であることが知られており、これら合金元
素の含有量を極力低減することによって 1.2×10-6/℃
台という極めて低い熱膨張係数を達成することもでき
る。
【0005】ただ、このような高純度のインバ−合金は
肉厚が2mm未満の形態で使用されることが殆どであるた
めにそれを補うだけの強度が望まれるが、強度的には決
して満足できるものではなく、同じ低温用材料として使
用されている“9%Ni鋼”や“SUS304鋼”等と比
べて室温の強度が2〜4割ほども低い。そこで、肉厚の
厚い鋼板類として使用することを試みると、この場合に
は製造過程で結晶粒径が大きくなりがちで、そのため強
度が更に低下するという問題があった。
【0006】もっとも、冷間加工を施したり合金元素を
添加したりすることによってインバ−合金の高強度化が
可能であり、強化用の合金元素として例えばCo,Nb,
C,Cr等の添加が有効であることは知られている。例え
ば、特開平5−171357号公報にはNbを添加して強
度上昇を図ったFe−Ni系インバ−合金の例が示されてい
る。
【0007】しかし、前記特開平5−171357号公
報の「実施例」の欄の記載からも分かるように、合金元
素を添加してインバ−合金の高強度化を図る場合であっ
ても実際には冷間加工は優れた高強度化法であって、冷
間加工にたよることが多かった。
【0008】ただ、従来、このような強化策を講じた高
強度化インバ−合金が適用対象としたのはテレビジョン
のシャドウマスク,ICのリ−ドフレ−ムや送電用芯線
等といった室温から400℃程度の温度域で使用される
極薄板や線材であって、容易に冷間加工を加えることが
可能な形状のものが殆んどであった。
【0009】しかしながら、肉厚の厚い鋼板類として使
用することを考えると、冷間加工による高強度化の方法
を採用することは製造方法的,設備的に困難であり、他
の強化手法を採用せざるを得ない。しかるに、冷間加工
を施すという手段以外の高強度化法を適用し、かつ“室
温以下の温度域で熱膨張係数:1.5×10-6/℃以下という
優れた熱膨張特性を維持しつつ高強度化を図ったインバ
−合金”を製造する体制は未だ確立するに至っていなか
った。
【0010】このようなことから、本発明が目的とした
のは、室温から液体窒素温度にかけての低温域において
も十分に低い熱膨張係数を示し、しかも冷間加工を施さ
ない板厚10mm程度の板材においても0.2%降伏強度35
0MPa以上,引張強さ500MPa以上の高強度を備えた
インバ−合金の製造手段を確立することであった。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意研究を行った結果、次のような知見を得
ることができた。 a) インバ−合金の強度向上には強化元素としてCやNb
を添加するのが極めて有効かつ安定した手段であり、こ
れと特定条件の温間圧延以上の温度域での圧延{即ち
「T(℃)=950+110×Nb(%)1/2+500×C
(%) 」なる式で算出される温度T(℃)以下での累積圧
下率が30%以上となる温間圧延以上の温度域での圧
延}とを組み合わせれば、冷間圧延を要することなく十
分に満足できる強度の確保が可能である。
【0012】b) また、上記特定条件の温間圧延以上の
温度域での圧延を施すことにより、インバ−合金の低温
域における熱膨張係数を一層低下させることができる。
なお、図1は、0.004%C-0.13%Si-0.46%Mn-36%Ni合金
(前記式で算出されるTは952℃)の熱膨張特性に及
ぼす圧延温度の影響を示したグラフである。この図1か
らも確認できるように、「900℃×15分」焼鈍後の
板材(9.5mm厚)の室温から液体窒素温度までの平均熱膨
張係数はL方向(圧延方向),C方向(圧延方向と直角
の方向)ともに 1.5×10-6/℃を超えているのに対し
て、前記式で算出されるT(℃)を下回る温度域で 3.5
mm厚にまで圧延すると(累積圧下率:66%)、L,C
方向とも熱膨張係数が小さな値を示すようになる。
【0013】更に、上記図1からも窺えることである
が、400℃以下の温度域で温間圧延すれば 1.0×10-6
/℃未満という極力低い熱膨張率を達成でき、また生産
性の観点からより望ましい600℃以上での圧延であっ
ても 1.5×10-6/℃以下という十分に低い熱膨張係数を
得ることができる。しかも、圧延方向の依存性は圧延温
度の依存性に比べて小さいことも明らかである(なお、
これら板材の硬度はビッカ−スでの測定で184〜19
7の範囲にあって引張強度500MPaの目安となる硬度
160を十分に上回っている上、 硬度の圧延温度依存性
も小さかった)。
【0014】c) しかし、先にも述べたようにNb等の強
化元素の添加は一般にインバ−合金の熱間加工性に悪影
響を及ぼす。ところが、この弊害は、添加する強化元素
の含有量を特定の範囲に制御すると共に、P,S,Al及
びN量の規制や適量のB添加によって熱膨張特性に悪影
響を及ぼすことなく緩和することができる。
【0015】本発明は、上記知見事項等を基にしてなさ
れたもので、 「C:0.10%以下, Si:0.35%以下, Mn: 1.0%以下, P: 0.015%以下, S: 0.005%以下, Cr: 0.3%以下, Ni:35〜37%, Mo:0〜 0.5%, V:0〜0.05%, Al:0.01%以下, Nb:0〜 1.0%, B:0〜 0.005%, N: 0.005%以下 を含有すると共に残部がFe及び不可避的不純物より成る
インバ−合金に対して、少なくとも、 式 T(℃)=950+110×Nb(%)1/2+500×C(%) にて算出される温度T(℃)を下回る冷間域以外の温度
域で30%以上の累積圧下率が確保される圧延を施すこ
とにより、 室温以下で優れた熱膨張特性を示す高強度イ
ンバ−合金板を低コストにて安定製造できるようにした
点」に大きな特徴を有している。なお、ここで言う「冷
間域」とは、加熱状態や加熱後の冷却途上の温度域では
なくて、冷却後の合金に対して行われる通常の冷間圧延
温度域を指すことは言うまでもない。
【0016】
【作用】上述のように、本発明は、特定化学組成のイン
バ−合金に温間圧延以上の温度域での圧延を施すだけ
で、高い強度を具備すると共に室温から液体窒素温度に
かけての低温域で優れた熱膨張特性を示すインバ−合金
板を安定提供できるようにしたものであるが、以下、本
発明において合金の化学組成並びに板材の製造条件を前
記の如くに限定した理由をその作用と共に詳述する。
【0017】(A) 合金の化学組成 C:Cはインバ−合金の高強度化に有効であるので添加
される元素であり、このためには合金中におけるC含有
量は 0.015%以上とすることが望ましいが(極く微量で
あっても強化効果は現れる)、0.10%を超える過剰な添
加は合金の優れた熱膨張特性(低熱膨張係数)に悪影響
を及ぼすことから、C含有量は0.10%以下と定めた。
【0018】Si及びMn:Si,Mnは合金溶製時の脱酸剤と
して必要な元素であるが、何れも過剰に含有されると合
金の熱膨張特性に悪影響を及ぼすようになる。従って、
Si及びMnの含有量は、0.35%以下及び 1.0%以下とそれ
ぞれ定めた。
【0019】P:Pは合金の凝固割れ感受性,溶接割れ
感受性を著しく高める不純物元素であるが、その含有量
が 0.015%以下であれば前記弊害による合金材製造歩留
の低下は顕著でなくなる。従って、P含有量の上限を
0.015%と定めた。
【0020】Cr:Crの含有量が 0.3%を超えると合金の
熱膨張係数への悪影響が顕著化するようになる。従っ
て、Cr含有量は 0.3%以下と定めた。
【0021】Ni:Niは合金の熱膨張特性を支配する最も
重要な元素であり、その含有量を35〜37%に調整するこ
とで熱膨張係数を極小とすることができる。従って、Ni
含有量は35〜37%と定めた。
【0022】Mo及びV:Mo,Vは何れも合金の熱膨張特
性を劣化させる元素であるため、これら元素の添加は控
えねばならない。少なくとも、Mo含有量については 0.5
%以下に、またV含有量については0.05%以下にそれぞ
れ抑制しないと所望の熱膨張特性を確保することができ
ない。
【0023】Al:Alは合金の熱間加工性を劣化させる元
素であり、熱間加工性の観点からその含有量を規制しな
ければならない。特に、Al含有量が0.01%を超えると熱
間加工性への悪影響が顕著化することから、その含有量
は0.01%以下と定めた。
【0024】Nb:Nbは合金の強度向上のために有効な元
素であり、Cの添加や圧延による強化効果が得られるに
しても、出来れば微量であれ積極的に添加することが望
ましい。一方、本発明合金においてはNb含有量が 1.0%
を超えると熱膨張特性の劣化傾向が目立つようになるの
で、1.0 %を超えてNbを含有させることは避けなければ
ならない。従って、Nb含有量は0〜 1.0%と定めたが、
好ましい範囲は0.15〜 1.0%である。
【0025】S:Sは本発明合金を溶製する際に混入す
る不可避的不純物であるが、合金の熱間加工性を低下さ
せるので極力低減すべき元素である。しかし、S含有量
を 0.005%以下(好ましくは 0.001%以下)に低減する
と、前記弊害による合金材製造歩留の低下は顕著でなく
なる。
【0026】N:Nは合金の熱間加工性を劣化させる不
可避的不純物元素であり、本発明合金においてはその含
有量が 0.005%を超えると熱間加工性の劣化傾向が著し
くなることから、N含有量は 0.005%以下に低減するこ
とと定めた。
【0027】B:Bには合金の熱間加工性を改善する作
用があるので、必要に応じて 0.005%までの範囲で含有
させるのが有効である。ただ、 0.005%を超えてBを含
有させると熱膨張係数を著しく増加させることから、B
含有量については0〜 0.005%と定めた。
【0028】なお、本発明合金を溶製する際にはCoやCu
等も不可避的不純物元素として混入する場合が多いが、
これらCoやCuが不純物として含有されていても、それぞ
れの含有量が 0.1%以下の範囲であれば特に問題となる
ことはない。
【0029】(B) 板材の製造条件 本発明に係る板材の製造方法では、上記化学組成のイン
バ−合金に対し、少なくとも「“T(℃)=950+1
10×Nb(%)1/2+500×C(%) なる式で算出される温
度T(℃)を下回る冷間域以外の温度域”で累積圧下率
が30%以上となる圧延(温間圧延以上の温度域での圧
延)」が施される。この場合、上記温度T(℃)を上回
る温度で熱間圧延を施してある程度の減肉を行った後に
上記所定の圧延を実施したり、その後更に形状や表面調
整のために軽度の冷間圧延を施しても良い。
【0030】ところで、本発明が対象とするインバ−合
金の組成においては熱間圧延中の再結晶温度はほぼ95
0〜1050℃の範囲にある。前記式で算出されるT
(℃)はこの再結晶温度と相関しており、この温度T
(℃)を下回る温度域で圧延することで効果的に高強度
化を達成することができる。なお、前記式から分かるよ
うに、CやNbの含有量が増えればインバ−合金の高強度
化が達成される圧延温度はより高温域にまで拡大され
る。
【0031】ただ、本発明に係る化学組成のインバ−合
金板に目標とする強度水準(0.2%降伏強度350MPa以
上,引張強さ500MPa以上)を達成するためには、少
なくとも前記温度域での累積圧下率を30%以上確保す
ることが必要である。
【0032】そして、本発明に係るインバ−合金では、
既に述べた通り、“温度T(℃)を下回る温度域での累
積圧下率30%以上の圧延”を施すと熱膨張係数の低下
も達成される。この場合、400℃未満で圧延すること
で 1.0×10-6/℃未満の熱膨張係数を達成することもで
きるが、生産性の観点からは600℃以上での圧延の方
が実際的であり、その場合でも 1.5×10-6/℃以下の低
い熱膨張係数が確保される。
【0033】以下、本発明を実施例によって説明する。
【実施例】まず、25kg真空誘導炉により表1に示す如
き化学組成の各インバ−合金を溶製して鋳塊に鋳造した
後、熱間鍛造によって40mm厚のスラブを作成した。
【0034】
【表1】
【0035】次に、前記各スラブに「1150℃×1時
間」の加熱処理を施してからこれを圧延し、12mm厚の
板材を得た。この際、板厚が18mm厚から12mm厚に減
肉されるまでの間を2パスで圧延したが(累積圧下率3
3%)、本実施例ではこの2パス圧延を特に「調整圧
延」と称する。そして、該調整圧延は圧延温度域が50
℃の範囲内に収まるように行われた。なお、ここでは、
例えば圧延温度域を950〜900℃に管理して行った
調整圧延の圧延温度を950℃とするが、適用合金によ
ってこの調整圧延温度の変更が行われた。
【0036】圧延後の冷却は、〔圧延終了温度−100
℃〕の温度より〔室温〕までをスプレ−冷却によった。
また、比較のため、一部の板材については、冷間圧延を
施した材料に適用される「900℃×15分均熱」の仕
上焼鈍を施した。
【0037】続いて、熱膨張特性の評価のため、このよ
うにして得られた各圧延板の中央部から「厚さ2mm×幅
5mm×長さ50mm」の角棒試験片をL方向に採取し、2
0℃〜−196℃での線膨張を測定した。そして、−1
80℃〜20℃における測定値を基に平均熱膨張係数を
算出した。
【0038】また、機械的特性の評価のため、前記各熱
延板から平行部が「直径6mmφ×長さ40mm」の引張試
験片を採取し、常温にてL方向の 0.2%降伏強度と引張
強さを測定した。なお、降伏強度の測定は 0.8×10-4/s
の歪速度にて実施した。
【0039】これらの測定結果(0.2%降伏強度,引張強
さ,20℃〜−180℃の平均熱膨張係数)を、板材の
製造条件と共に表2に示す。
【0040】
【表2】
【0041】表2に示される結果からも、本発明で規定
する条件を満たしていない比較例で得られたインバ−合
金板では、熱膨張係数が 1.5×10-6/℃を上回るか、あ
るいは0.2%降伏強さが350MPaを下回るなど、十分に
満足できる特性が具備されていないのに対して、簡便で
格別なコスト高を招くことのない本発明例の手段で得ら
れたインバ−合金板は0.2%降伏強度が350MPaを超え
る高い値で、かつ熱膨張係数が 1.5×10-6/℃以下の低
い値を示すなど、優れた強度特性と熱膨張特性を有して
いることを確認できる。
【0042】
【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、板厚にかかわりなく優れた熱膨張特性と高い強度を
有するインバ−合金板を比較的簡便に安定製造すること
ができ、高強度が望まれる低温用貯蔵タンクの素材等を
安価に提供することが可能となるなど、産業上有用な効
果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】0.004%C-0.13%Si-0.46%Mn-36.4%Ni系インバ−
合金の熱膨張係数に及ぼす圧延温度の影響を示したグラ
フである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量割合にて C:0.10%以下, Si:0.35%以下, Mn: 1.0%以下, P: 0.015%以下, S: 0.005%以下, Cr: 0.3%以下, Ni:35〜37%, Mo:0〜 0.5%, V:0〜0.05%, Al:0.01%以下, Nb:0〜 1.0%, B:0〜 0.005%, N: 0.005%以下 を含有すると共に残部がFe及び不可避的不純物より成る
    インバ−合金に対して、少なくとも“下記式にて算出さ
    れる温度T(℃)を下回る冷間域以外の温度域で30%
    以上の累積圧下率が確保される圧延”を施すことを特徴
    とする、高強度インバ−合金板の製造方法。 T(℃)=950+110×Nb(%)1/2+500×C(%)
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