(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃｒ：１２〜１８％、Ｎｉ：２〜６％、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：２％以下（０％を含まず）、Ｍｎ：４％以下（０％を含まず）、Ｎ：０．０１〜０．３％、Ｃｕ：０〜４％（無添加を含む）、Ｍｏ：０〜２％（無添加を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式で表されるＡＸ値が０〜５．８となるように各元素を含有した高強度高膨張合金。
ＡＸ＝％Ｎｉ＋０．６８×％Ｃｒ＋０．５４×％Ｍｎ＋０．４５×％Ｓｉ＋０．８１×％Ｃｕ＋０．６３×％Ｍｏ＋２７．２８×（％Ｃ＋％Ｎ）−２０．３７  −−−−−（１）
【請求項２】
重量％で、Ｃｒ：１２〜１８％、Ｎｉ：２〜６％、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：２％以下（０％を含まず）、Ｍｎ：４％以下（０％を含まず）、Ｎ：０．０１〜０．３％、Ｃｕ：０〜４％（無添加を含む）、Ｍｏ：０〜２％（無添加を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式で表されるＡＸ値が０〜５．８となるように各元素を含有した合金を熱間圧延して、硬さをＨｖ２９０以上、３０〜５００℃の熱膨張係数を１７．５×１０−６／℃以上とした高強度高膨張素材。
ＡＸ＝％Ｎｉ＋０．６８×％Ｃｒ＋０．５４×％Ｍｎ＋０．４５×％Ｓｉ＋０．８１×％Ｃｕ＋０．６３×％Ｍｏ＋２７．２８×（％Ｃ＋％Ｎ）−２０．３７  −−−−−（１）
【請求項３】
重量％で、Ｃｒ：１２〜１８％、Ｎｉ：２〜６％、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：２％以下（０％を含まず）、Ｍｎ：４％以下（０％を含まず）、Ｎ：０．０１〜０．３％、Ｃｕ：０〜４％（無添加を含む）、Ｍｏ：０〜２％（無添加を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式で表されるＡＸ値が１．６〜５．８となるように各元素を含有した合金を焼鈍して、硬さをＨｖ１８０以上、３０〜５００℃の熱膨張係数を１７．５×１０−６／℃以上とした高強度高膨張素材。
ＡＸ＝％Ｎｉ＋０．６８×％Ｃｒ＋０．５４×％Ｍｎ＋０．４５×％Ｓｉ＋０．８１×％Ｃｕ＋０．６３×％Ｍｏ＋２７．２８×（％Ｃ＋％Ｎ）−２０．３７  −−−−−（１）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサーや温度補償部品として電気製品などに使用される高強度を有する高膨張合金および素材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や電気製品などには、温度センサーや温度補償部品として、熱膨張係数の大きい合金がバイメタル用高膨張素材として使用されている。また、アパーチャーグリル方式の受像管には、フレームの熱膨張に起因する色ずれを防止する目的で高膨張合金が温度補償部品として使用されている。
【０００３】
高膨張合金としては、一般的に、Ｆｅ−２０〜２２％ＮｉにＣｒまたはＭｎを添加した２２％Ｎｉ−３％Ｃｒ鋼，２０％Ｎｉ−６％Ｍｎ鋼などのＦｅ−Ｎｉ系合金が知られている。
【０００４】
また、ステンレス鋼においてはフェライト系ステンレス鋼よりオーステナイト系ステンレス鋼の方が熱膨張係数が高いことから、ＳＵＳ３０４（１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼）などが高膨張合金として使用されることもある。
【０００５】
高膨張合金用素材として要求される主特性は、３０〜５００℃での熱膨張係数と高強度である。例えば、カラーＴＶの温度補償部品に使用されている高膨張合金は３０〜５００℃での熱膨張係数は１７．５×１０−６／℃以上、硬さはＨｖ１８０以上の特性を要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のＦｅ−Ｎｉ系合金や１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼では高価なＮｉの含有量が多く素材コストが高いという問題を抱えている。このため、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼と同等の熱膨張特性と強度を有し、しかも１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼より安価でかつ高強度を有する高膨張合金が強く要望されている。しかしながら、これまでに低コスト化と高強度化の検討は十分なされていなかったのが現状である。
そこで本発明は、上記ニーズに応えるべく、高強度と高膨張特性を兼ね備え、かつＮｉ含有量を低減して低コスト化を図った安価で汎用性の高い高強度高膨張合金および素材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１〜３に記載した発明によって達成される。
【０００８】
請求項１の発明は、重量％で、Ｃｒ：１２〜１８％、Ｎｉ：２〜６％、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：２％以下（０％を含まず）、Ｍｎ：４％以下（０％を含まず）、Ｎ：０．０１〜０．３％、Ｃｕ：０〜４％（無添加を含む）、Ｍｏ：０〜２％（無添加を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式で表されるＡＸ値が０〜５．８となるように各元素を含有したバイメタル用高強度高膨張合金に関するものである。
ＡＸ＝％Ｎｉ＋０．６８×％Ｃｒ＋０．５４×％Ｍｎ＋０．４５×％Ｓｉ＋０．８１×％Ｃｕ＋０．６３×％Ｍｏ＋２７．２８×（％Ｃ＋％Ｎ）−２０．３７  −−−−−（１）
ここで、上記（１）式における％Ｎｉ，％Ｃｒ，％Ｍｎ，％Ｓｉ，％Ｃｕ，％Ｍｏ，％Ｃおよび％Ｎは、それぞれＮｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，ＣおよびＮの合金中における含有量（重量％で表される値）を意味する。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の合金を熱間圧延して、硬さをＨｖ２９０以上、３０〜５００℃の熱膨張係数を１７．５×１０−６／℃以上としたバイメタル用高強度高膨張素材に関するものである。この発明は、最終的に熱間圧延により素材の機械的・物理的特性を決定付けたものを対象とする。したがって、熱間圧延後に金属組織や機械的・物理的性質に実質的な影響を及ぼさない酸洗，研磨等の工程を実施したものも対象となる。また、熱間圧延より前の工程については問わない。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の合金のうち、特にＡＸ値が１．６〜５．８の合金を焼鈍して、硬さをＨｖ１８０以上、３０〜５００℃の熱膨張係数を１７．５×１０−６／℃以上としたバイメタル用高強度高膨張素材に関するものである。この発明は、最終的に焼鈍により素材の機械的・物理的特性を決定付けたものを対象とする。したがって、焼鈍後に金属組織や機械的・物理的性質に実質的な影響を及ぼさない酸洗，研磨等の工程を実施したものも対象となる。また、焼鈍より前の工程については問わない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金において、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎなどのステンレス鋼に含有される一般的な元素の含有量を種々変動させた素材について熱膨張特性および機械的性質を詳細に調べた結果、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼よりもＮｉ含有量をかなり低減しても、前記（１）式に示すＡＸ値を厳しく制限した化学組成とすることによって高膨張特性が得られることを見出した。また、Ｎｉ量を低減するとともにＣ量およびＮ量を増加することによって、熱延後あるいは焼鈍後に高強度が得られることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１２】
以下に本発明を特定する事項について説明する。
Ｃｒ：Ｃｒは、本発明合金を構成する主要元素の１つである。Ｃｒの含有量が１２重量％未満になると、他の元素を多量に添加してもＡＸ値を０以上に維持することが困難となる。逆に１８重量％を越えるとフェライト相が生成してオーステナイト単相組織を維持できなくなる恐れがあり、この場合には熱膨張係数が急激に低下するという事態を招く。したがって、Ｃｒの含有量は１２〜１８重量％の範囲に限定する。
【００１３】
Ｎｉ：Ｎｉは、本発明合金を構成する主要な元素であり、オーステナイト単相組織を得るために必須となる。Ｎｉの含有量が２重量％未満になると、例えＡＸ値が０〜５．８の範囲にあっても十分な高膨張特性を示さない場合が生じ得る。一方、Ｎｉの含有量が多くなるにしたがって素材コストが上昇し、約６重量％を越えてＮｉを含有させると安価な素材を提供することが困難となる。したがって、Ｎｉの含有量は２〜６重量％の範囲に限定する。
【００１４】
Ｃ：Ｃは、低Ｎｉ化を図った本発明合金においては、素材の強度を上昇させる上で極めて重要な役割を果たす元素である。特に、焼鈍材においてＨｖ１８０以上の硬度を安定して得るためにはＣ含有量を０．０５重量％以上にする必要がある。ただし、ＣはＡＸ値の変化に対する寄与が非常に高いので、過剰の添加は禁物である。Ｃ含有量が０．５重量％を越えると、ＡＸ値を５．８以下に調整することが困難になる場合がある。したがって、Ｃの含有量は０．０５〜０．５重量％の範囲に限定する。なお、焼鈍材においてＨｖ２００以上の硬度を安定して得るためには０．１重量％以上、さらに、焼鈍材においてＨｖ２２０以上の硬度を得るためには０．２重量％以上のＣ含有量とすることが望ましい。
【００１５】
Ｓｉ：Ｓｉは、溶製時における脱酸剤として有効に作用するとともに、ＡＸ値を高める役割を果たす元素である。しかし、２重量％を越えて含有させるとフェライト相が生成してオーステナイト単相組織を維持できなくなる恐れがあり、この場合には熱膨張係数が急激に低下するという事態を招く。したがって、Ｓｉは２重量％以下の範囲で含有させるよう限定する。なお、脱酸効果とＡＸ値を高める効果は概ね０．０５重量％以上のＳｉ含有量で明らかに現れるが、これらの効果をより一層発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．４重量％以上とすることが望ましい。
Ｍｎ：Ｍｎは、溶製時における脱酸剤として有効に作用し、しかも、比較的多量に含有しても高膨張素材として要求される特性を損なわないことから、本発明においてはＡＸ値を高める上で重要な元素である。しかし、約４重量％を越えて含有させると溶製時の耐火物の劣化が著しくなるので、製造コストの上昇を招くようになる。したがって、Ｍｎは４重量％以下の範囲で含有させるよう限定する。なお、脱酸効果とＡＸ値を高める効果は概ね０．０５重量％以上のＭｎ含有量で明らかに現れるが、これらの効果をより一層発揮させるためには、Ｍｎの含有量を０．５重量％以上とすることが望ましく、１．５重量％以上とすることがより好ましい。
【００１６】
Ｎ：Ｎは、Ｃと同様に、本発明においては素材の強度を上昇させる上で重要な元素である。特に、焼鈍材においてＨｖ１８０以上の硬度を安定して得るためにはＮ含有量を０．０１重量％以上にする必要がある。ただし、ＮはＡＸ値の変化に対する寄与が非常に高いので、過剰の添加は禁物である。Ｎ含有量が０．３重量％を越えると、ＡＸ値を５．８以下に調整することが困難になる場合がある。したがって、Ｎの含有量は０．０１〜０．３重量％の範囲に限定する。
【００１７】
Ｃｕ：Ｃｕは、ＡＸ値を高める作用が大きい元素であるが、他の元素によりＡＸ値を０以上に維持できる場合は特に添加しなくてもよい。Ｃｕ含有量が４重量％を越えると逆にＡＸ値が高くなりすぎ、却って不都合を招く恐れがある。すなわち、ＡＸ値を５．８以下に調整するためにＣ，Ｎ等の他の必須添加元素の含有量を低減せざるを得ない場合が生じ得る。したがって、Ｃｕを添加する場合はその含有量を４重量％以下に制限する。
【００１８】
Ｍｏ：Ｍｏは、ＡＸ値を高める作用を有する元素であるが、他の元素によりＡＸ値を０以上に維持できる場合は特に添加しなくてもよい。Ｍｏ含有量が２重量％を越えるとフェライト相が生成してオーステナイト単相組織を維持できなくなる恐れがある。また、Ｍｏは高価な元素であるため、Ｍｏの多量添加は低Ｎｉ化によるコスト低減効果を相殺し、安価な素材を提供するという本発明の趣旨を没却することにもなる。したがって、Ｍｏを添加する場合はその含有量を２重量％以下に制限する。
【００１９】
ＡＸ値：ＡＸ値は、本発明の特徴である高膨張を得るために本発明者らが実験により求めた指標であり、後述の図１に示すように、熱膨張係数との間に非常に明確な関係がある。ＡＸ値が０未満では熱延ままおよび焼鈍後ともに熱膨張係数が１７．５×１０−６／℃未満となるため、高膨張係数を維持するためにはＡＸ値を０以上とする必要がある。ただし、ＡＸ値が１．６未満になると、焼鈍状態において熱膨張係数が１７．５×１０−６／℃未満となる場合が多いので、焼鈍材を使用する場合にはＡＸ値の下限を１．６に規制することが望ましい。一方、ＡＸ値が５．８を越えると熱膨張係数が１７．５×１０−６／℃より小さくなり、実用に供せないので、ＡＸ値は５．８以下に限定する。
【００２０】
【実施例】
真空誘導溶解炉にて、表１に示す化学組成の合金（１２ｋｇ）を溶製し、下記▲１▼の工程で熱延材（板材）を、下記▲２▼または▲３▼のいずれかの工程で焼鈍材（板材）を得た。
▲１▼鍛造（厚さ４０ｍｍ）→熱延（厚さ３．０ｍｍ）。
▲２▼鍛造（厚さ４０ｍｍ）→熱延（厚さ３．０ｍｍ）→焼鈍。
▲３▼鍛造（厚さ４０ｍｍ）→熱延（厚さ３．０ｍｍ）→焼鈍→冷延（厚さ１．０ｍｍ）→焼鈍。
これらの板材から熱膨張係数測定用試料（厚さ３．０ｍｍ×幅５．０ｍｍ×長さ５０．０ｍｍ）と硬さ測定用試料（厚さ３．０ｍｍ×幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ）を作製した。熱延は、加熱抽出温度を１２３０℃、仕上げ温度を約９５０℃とした。上記▲２▼および▲３▼の工程における最終焼鈍は、１１００℃×均熱１分、水冷とした。
【００２１】
熱膨張係数は、示差式赤外線加熱大試料熱膨張計（理学電機）により３０〜５００℃の温度範囲で測定した。また、硬度はビッカース硬度計で測定した。表２および表３に、それぞれ熱延ままおよび焼鈍後における、本発明例，従来例，比較例の熱膨張係数と硬さの測定結果を示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
【表３】
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【００２５】
図１に、表１〜表３のデータを基に作成したＡＸ値と熱膨張係数の関係を示す。
図１より次のことがわかる。すなわち、ＡＸ値が０未満では熱延まま，焼鈍後ともに熱膨張係数が一般的な実用上の要求値である１７．５×１０−６／℃未満となる。ＡＸ値が０〜２．０では熱延ままの熱膨張係数が１７．５×１０−６／℃以上であるが、焼鈍後の熱膨張係数は１７．５×１０−６／℃未満となる。ＡＸ値が２．０〜５．８では熱延まま，焼鈍後ともに熱膨張係数は１７．５×１０−６／℃以上である。しかしながら、ＡＸ値が５．８を越えると熱膨張係数は１７．５×１０−６／℃未満となり、実用に供せない。
このように、ＡＸ値と熱膨張係数の間には明瞭な相関関係があり、ＡＸ値によって熱膨張係数が精度良く制御できることがわかる。熱延ままの状態ではＡＸ値が０〜５．８の間で、また焼鈍後の状態ではＡＸ値が１．６〜５．８の間でそれぞれ安定して１７．５×１０−６／℃以上の高い熱膨張係数を得ることができる。しかし、ＡＸ値が０未満の合金および５．８を越える合金では、熱膨張係数を１７．５×１０−６／℃以上に維持する素材を得ることは困難である。
【００２６】
図２に、ＡＸ値と硬さＨｖの関係を示す。
図２より、焼鈍後の硬さは、ＡＸ値が０未満では約Ｈｖ３００と高く、ＡＸ値が０から２にかけては急激に低下するもののＡＸ値が２以上では約Ｈｖ２００で依然としてＨｖ１８０以上の高強度を維持していることがわかる。一方、熱延ままの硬さはＡＸ値に関わらず約Ｈｖ３００と高い。
このように、本発明合金では、熱延ままの状態でＨｖ２９０以上の高い硬さを安定して得られることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、明らかにしたように、前記（１）式で表されるＡＸ値を用いて各元素の含有量を制御することによって、高膨張特性を維持しつつ高強度を有する安価な高強度高膨張合金および素材が得られることがわかった。つまり、本発明によれば、特殊な元素を添加しなくても、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎといったいわばステンレス鋼の一般的な含有元素だけを利用して、Ｎｉ含有量を２〜６重量％にまで低減した安価な高膨張合金を提供することが可能となった。しかも、この合金の熱間圧延材あるいは焼鈍材は高い強度を有するので、高い信頼性をもって温度補償を目的とする種々の用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡＸ値と素材の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図２】ＡＸ値と素材の硬さＨｖの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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