特許 7572028 低熱膨張鋳物及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-15

(45)【発行日】2024-10-23

(54)【発明の名称】低熱膨張鋳物及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20241016BHJP

   C22C 38/12 20060101ALI20241016BHJP

   C21D 9/00 20060101ALI20241016BHJP

   C21D 6/00 20060101ALI20241016BHJP

   C21D 1/18 20060101ALI20241016BHJP

   B22D 27/20 20060101ALN20241016BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 302E

C22C38/00 302R

C22C38/12

C21D9/00 M

C21D6/00 101A

C21D6/00 101Z

C21D1/18 Y

B22D27/20 B

B22D27/20 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020122920

(22)【出願日】2020-07-17

(65)【公開番号】P2022024358

(43)【公開日】2022-02-09

【審査請求日】2023-05-01

(73)【特許権者】

【識別番号】591274299

【氏名又は名称】新報国マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100162204

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(72)【発明者】

【氏名】大野 晴康

(72)【発明者】

【氏名】坂口 直輝

(72)【発明者】

【氏名】小奈 浩太郎

【審査官】小川 進

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１１７９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２７１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２７１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１２２１８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３８／００－ ３８／６０

Ｃ２１Ｄ ６／００－ ６／０４

Ｃ２１Ｄ １／１８

Ｃ２１Ｄ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

成分組成が、質量％で、
Ｃ：０～０．１００％、
Ｓｉ：０～１．００％、
Ｍｎ：０～１．００％、
Ｎｂ：０．５０～３．５０％
Ｃｏ：１３．００～１７．５０％、及び
－３．５×％Ｎｉ＋１１５≦％Ｃｏ≦－３．５×％Ｎｉ＋１２１を満たすＮｉ（％Ｎｉ、％Ｃｏは、それぞれＮｉ、Ｃｏの含有量（質量％））
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
４００℃における引張試験の０．２％耐力が１４０ＭＰａ以上、
２５～３５０℃における平均熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／℃以下、
キュリー温度が３００℃以上
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に記載の低熱膨張鋳物を製造する方法であって、
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、室温まで昇温するクライオ処理工程、及び
鋳物を８００～１２００℃に加熱し、０．５～５ｈｒ保持した後急冷する再結晶処理工程
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。

【請求項3】

請求項１に記載の低熱膨張鋳物を製造する方法であって、
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８００～１２００℃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クライオ処理工程、及び
鋳物を６００～７５０℃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。

【請求項4】

請求項１に記載の低熱膨張鋳物を製造する方法であって、
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、室温まで昇温するクライオ処理工程、
鋳物を６００～７５０℃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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は低熱膨張鋳物に関し、特に、高温強度に優れた低熱膨張鋳物に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の通信技術の発展に伴い、その送受信設備に使用するパラボラアンテナ等は非常に大型化し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。

【0003】

ＣＦＲＰの熱膨張係数は鋼に比較して小さく、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。

【0004】

特許文献１は、成形用金型として、オー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鋳鉄を用いることを開示している。

【0005】

特許文献２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。

【0006】

３７．７≦Ｎｉ＋０．８×Ｃｏ≦４３ （１）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平６－１７２９１９号公報

【文献】特開平１１－２９３４１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来のＣＦＲＰ成形金型に用いられているインバー合金、スーパーインバー合金は、金型の使用温度域である高温での強度が低く、そのため、金型が損傷しやすいという解決すべき課題がある。

【0009】

本発明は、上記の事情に鑑み、ＣＦＲＰ金型の使用温度域である４００℃でも十分な強度を有し、かつ、２５～３５０℃の範囲で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】

【0010】

本発明者らは、低熱膨張鋳物において、高温での耐力を高める方法について鋭意検討した。その結果、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金において、ＮｉとＣｏの含有量を適切な範囲に制御し、さらに、鋳造後に適切な熱処理を施すことにより、Ｔｉ、Ａｌなど高価な合金元素を用いることなく、高温での耐力を高めることが可能であることを見出した。

【0011】

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。

【0012】

（１）成分組成が、質量％で、Ｃ：０～０．１００％、Ｓｉ：０～１．００％、Ｍｎ：０～１．００％、Ｎｂ：０．５０～３．５０％、Ｃｏ：１３．００～１７．５０％、及び－３．５×％Ｎｉ＋１１５≦％Ｃｏ≦－３．５×％Ｎｉ＋１２１を満たすＮｉ（％Ｎｉ、％Ｃｏは、それぞれＮｉ、Ｃｏの含有量（質量％））を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、４００℃における引張試験の０．２％耐力が１４０ＭＰａ以上、２５～３５０℃における平均熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／℃以下、キュリー温度が３００℃以上であることを特徴とする低熱膨張鋳物。

【0013】

（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、室温まで昇温するクライオ処理工程、及び
鋳物を８００～１２００℃に加熱し、０．５～５ｈｒ保持した後急冷する再結晶処理工程を、順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳物の製造方法。

【0014】

（３）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８００～１２００℃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クライオ処理工程、及び鋳物を６００～７５０℃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。

【0015】

（４）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、室温まで昇温するクライオ処理工程、鋳物を６００～７５０℃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】

【0016】

本発明によれば、高温域で高い耐力を有し、さらに低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳物を得られるので、高温下で用いられるＣＦＲＰ金型等の超精密機器の部材に適用できる。

【発明を実施するための形態】

【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、本発明の鋳物の成分組成について説明する。

【0018】

本発明において、Ｎｉ、Ｃｏは、組み合わせて添加することにより熱膨張係数の低下に寄与する必須の元素である。特に本発明においては、キュリー温度を３００℃以上とするために、Ｃｏを一定量以上含有させ、さらに熱膨張係数を、広い温度範囲で十分に小さくするために、Ｃｏ量に応じて適切なＮｉ量を含有させる。Ｎｉ、Ｃｏ量が多すぎると、Ｍｓ点が低くなりすぎ、後述する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ので、それも考慮して、Ｎｉ量、Ｃｏ量の範囲を定める。

【0019】

キュリー温度を３００℃以上とし、さらに熱膨張係数を、広い温度範囲で十分に小さくするため、Ｃｏの含有量は１３．００～１７．５０％、Ｎｉ含有量は、Ｃｏの含有量を％Ｃｏ（質量％）、Ｎｉの含有量を％Ｎｉ（質量％）としたとき、－３．５×％Ｎｉ＋１１５≦％Ｃｏ≦－３．５×％Ｎｉ＋１２１を満たす範囲とする。

【0020】

キュリー温度を３００℃以上とするのは、高温においても低い熱膨張係数を得るためである。キュリー温度と熱膨張係数の間には密接な関係があり、インバー合金では、キュリー温度以下では、熱膨張係数は０に近い値となるが、キュリー温度を超えると熱膨張係数は急激に増加する。本発明の低熱膨張鋳物はＣＦＲＰ金型の使用温度域である４００℃付近での使用を想定しており、この温度域での熱膨張係数を低い値とするために、キュリー温度を３００℃以上とする。

【0021】

Ｃは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与するので、必要に応じて含有させてもよい。この効果は少量でも得られるが、Ｃ量を０．０１０％以上とすると効果的であり、好ましい。Ｃの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなり、さらに、延性が低下して、鋳造割れが生じやすくなるので、含有量は０．１００％以下、好ましくは０．０５０％以下、より好ましくは０．０２０％以下とする。本発明の低熱膨張鋳物においては、Ｃは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

【0022】

Ｓｉは、脱酸材として添加してもよい。また、溶湯の流動性を向上させることができる。この効果は少量でも得られるが、Ｓｉ量を０．０５％以上とすると効果的であり、好ましい。Ｓｉ量が１．００％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は１．００％以下、好ましくは０．５０％以下、より好ましくは０．２０％以下とする。本発明の低熱膨張鋳物においては、Ｓｉは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

【0023】

Ｍｎは、脱酸材として添加してもよい。また、固溶強化による強度向上にも寄与する。この効果は少量でも得られるが、Ｍｎ量を０．１０％以上とすると効果的であり、好ましい。Ｍｎの含有量が１．００％を超えても効果が飽和し、コスト高となるので、Ｍｎ量は１．００％以下、好ましくは０．５０％以下とする。本発明の低熱膨張鋳物においては、Ｍｎは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

【0024】

Ｎｂは、オーステナイト中に固溶し、固溶強化作用により、高温での耐力を向上させる元素である。また、溶湯中で接種材として働き、凝固核を生成しやすくする元素でもある。これらの効果を得るために、Ｎｂ量は０．５０％以上とする。Ｎｂ量が多くなると靭性の劣化が大きくなるので、含有量は３．５０％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、０．０２％以下のＰ、Ｓ、Ｏ、Ｎなどが挙げられる。

【0026】

次に、本発明の低熱膨張鋳物の製造方法について説明する。

【0027】

はじめに、鋳造により、所望の成分組成を有する鋳物を製造する。鋳造に用いる鋳型や、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。

【0028】

得られた鋳物に、以下の何れかの熱処理を施す。

【0029】

［１］ 第１クライオ処理工程→再結晶処理工程
［２］ 第１クライオ処理工程→再結晶処理工程→第２クライオ処理工程→逆変態処理工程
［３］ 第１クライオ処理工程→逆変態処理工程

【0030】

それぞれの工程について説明する。

【0031】

（第１クライオ処理工程）
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。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。

【0032】

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。

【0033】

本発明の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とメチルアルコー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。

【0034】

（再結晶処理工程）
鋳物を８００～１２００℃まで再加熱し、８００～１２００℃で０．５～５ｈｒ保持し、室温まで急冷する。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は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、急冷後の組織は、平均粒径が３０～８００μｍ程度の微細な等軸晶の組織となる。これにより、ヤング率を高めることができ、また、４００℃における高い０．２％耐力を得ることができる。急冷の方法は特に限定されないが、水冷が好ましい。

【0035】

（第２クライオ処理工程）
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。

【0036】

（逆変態処理工程）
クライオ処理に続いて、鋳物を６００～７５０℃に加熱し、０．５～５ｈｒ保持した後、室温まで急冷することにより、組織をオーステナイトとする。クライオ処理工程で組織がマルテンサイト変態した際には塑性変形が生じる。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、４００℃におけるより高い０．２％耐力を得ることができる。

【0037】

マルテンサイト組織は６００℃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７５０℃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７５０℃以下とする。なお、クライオ処理工程とそれに続く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。

【0038】

上述のどおり、クライオ処理工程→再結晶処理工程により、高いヤング率、及び４００℃における高い０．２％耐力を得ることができ、クライオ処理工程→逆変態処理工程により、４００℃におけるより高い０．２％耐力を得ることができるので、必要な特性に応じて、上記の［１］～［３］の工程を選択すればよい。

【0039】

第１クライオ処理工程、第２クライオ処理工程後に、鋳物を３００～５００℃に加熱して、２～６ｈｒ保持する調質処理工程を設けてもよい。調質処理工程は、第１クライオ処理工程、第２クライオ処理工程のいずれか一方の後のみに設けてもよいし、両方の工程の後に設けてもよい。調質により後の再結晶及び逆変態の温度が低下することがあり、処理が効率化できることがある。

【0040】

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。

【0041】

鋳物を製造する際には、溶湯に接種材として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、本発明の低熱膨張鋳物が製造できるようになる。

【0042】

本発明の低熱膨張鋳物の優れた高温強度は、４００℃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、４００℃における引張試験で測定された０．２％耐力が１４０ＭＰａ以上の特性を有する。

【0043】

本発明の低熱膨張鋳物は、さらに、２５～３５０℃における平均熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／℃以下と、広い温度範囲で低い熱膨張係数を得ることができる。平均熱膨張係数が４．０～６．０ｐｐｍとなるように成分を調整すると、ＣＦＲＰの熱膨張係数と整合するので、ＣＦＲＰ成形用金型の部材として好適である。

【0044】

本発明の低熱膨張鋳物は高いキュリー温度を有するので高温でも熱膨張係数が大きく増加すること無く、高い高温耐力を有するので、ＣＦＲＰ金型等高温で使用される超精密機器の部材に使用しても、損傷を押さえることができる。

【実施例】

【0045】

高周波溶解炉を用いて、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Ｙブロックを製造した。その後、以下に示す熱処理を施した。

【0046】

処理Ｎｏ．１：
第１クライオ処理工程→再結晶処理工程
処理Ｎｏ．２：
第１クライオ処理工程→再結晶処理工程→第２クライオ処理工程→逆変態処理工程
処理Ｎｏ．３：
第１クライオ処理工程→逆変態処理工程
処理Ｎｏ．０：
熱処理なし

【0047】

第１クライオ処理工程では、Ｙブロックを液体窒素に浸漬してＭｓ点以下に冷却した後１．５ｈｒ保持し、その後、液体窒素から取り出し、室温で放置して室温まで昇温した。

【0048】

再結晶処理工程では、Ｙブロックを表１に記載の温度まで加熱し、３ｈｒ保持したあと、水冷した。

【0049】

第２クライオ処理工程では、第１クライオ処理工程と同様の処理を施した。

【0050】

逆変態処理工程では、Ｙブロックを表１に記載の温度まで加熱し、３ｈｒ保持したあと、水冷した。

【0051】

得られた鋳物から２つのサンプルを採取して、４００℃での引張試験（ＪＩＳ Ｇ ０５６７準拠）を行い、オフセット法により０．２％耐力を測定し、２つの平均値を測定値とした。同様に、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、２５～３５０℃の平均熱膨張係数、及びキュリー温度を測定した。キュリー温度は，測定時の伸び－温度のチャートから求めた屈曲点を用いた。

【0052】

結果を表１に示す。

【0053】

本発明の低熱膨張鋳物は、熱膨張係数が低く、さらに４００℃で引張試験において、高い０．２％耐力を示した。

【0054】

これに対して比較例では、４００℃における０．２％耐力、熱膨張係数の少なくとも一方で目標の特性が得られなかった。

【0055】

【表1】