(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成分組成が、質量％で、
Ｃ  ：０．０４％以下、
Ｓｉ：０．３％以下、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ａｌ：０．２％以下、
Ｎｉ：３１〜３４％、及び
Ｃｏ：２〜６％
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の平均結晶粒径が２００μｍ以下であり、
１８〜２８℃における熱膨張係数が０．２×１０-6／℃以下であり、
最大肉厚が３５ｍｍ以上である
ことを特徴とする低熱膨張鋳鋼品。
【請求項２】
重量が１０ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１に記載の低熱膨張鋳鋼品。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の低熱膨張鋳鋼品の製造方法であって、
成分組成が、質量％で、
Ｃ  ：０．０４％以下、
Ｓｉ：０．３％以下、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ａｌ：０．２％以下、
Ｎｉ：３１〜３４％、及び
Ｃｏ：２〜６％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋳鋼品を、Ｍｓ点以下まで冷却して、Ｍｓ点以下の温度で０．５〜３ｈｒ保持した後室温まで昇温するクライオ処理工程と、
クライオ処理を施した鋳鋼品を、８００〜１１００℃に加熱し、０．５〜５ｈｒ保持する再結晶処理工程と、
再結晶処理を施した鋳鋼品を、６５０〜３００℃の間における冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上で急冷する冷却工程
を順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【請求項４】
前記クライオ処理工程の前に、さらに、鋳鋼品を８００〜１１００℃に加熱して、０．５〜５ｈｒ保持する溶体化処理工程を備えることを特徴とする請求項３に記載の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【請求項５】
前記クライオ処理工程の前に、さらに、鋳鋼品を１１００〜１３００℃で５〜５０ｈｒ保持する拡散処理工程を備えることを特徴とする請求項３に記載の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【請求項６】
前記溶体化処理工程の前に、さらに、鋳鋼品を１１００〜１３００℃で５〜５０ｈｒ保持する拡散処理工程を備えることを特徴とする請求項４に記載の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【請求項７】
前記クライオ処理工程と前記再結晶処理工程の間に、さらに、鋳鋼品を３００〜４００℃で１〜１０ｈｒ保持する調質処理工程を備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低い熱膨張係数を有する低熱膨張鋳鋼品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスや半導体関連機器、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。
【０００３】
特許文献１には、Ｎｉ：２９．５〜３５％、Ｃｏ：２．０〜７．０％、Ｃｒ：０．００１〜２．０％を含有する、熱膨張係数が０．５×１０-6／℃〜２．０×１０-6／℃の低熱膨張合金が開示されている。この合金は、均質溶体化処理後、焼入れするかあるいは１℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却して焼鈍を行った後、１０％以上の冷間圧延加工を行うことで得られる。
【０００４】
特許文献２には、Ｃｏ：６５％以下、Ｎｉ：３０％以下、Ｃｒ：１０％以下を含有し、Ｃｏ及びＮｉの合計含有量が２５〜６５％である低熱膨張線が開示されている。特許文献２は、低熱膨張線を冷間加工によりオーステナイト相の一部の加工誘起マルテンサイト相に変態させる方法を開示している。
【０００５】
特許文献３には、Ｎｉ：０．０３〜１．５％、ＮｉとＣｏの合計：５３〜５５％、Ｃｒ：９〜１０％を含有する低熱膨張合金を開示している。特許文献３は、合金を６５０〜９００℃で焼鈍した後、炉内で２０℃／ｍｉｎ未満の速度で冷却する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２７９６９６６号公報
【特許文献２】特開平６−２７９９４５号公報
【特許文献３】特許第５５３４１５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】鋳造技術講座編集委員会編（１９６７），鋼鋳物，日刊工業新聞社，ｐ．３〜３２，
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、複雑な形状を有する部材には、製造の容易さから、機械加工や溶接ではなく、鋳鋼品が用いられる。鋳鋼品は鋳型に溶湯を流し込むことにより、小型の部品から大型の部品まで任意の形状が得られるので、製造が容易であるという利点がある。
【０００９】
これまで、試験片レベルのインバー合金については、前記のとおり、種々の発明がされている。しかしながら、すべての部位について熱膨張係数が低い値を示す、特に重量が１０ｋｇ以上となるような大型の鋳鋼品については報告されていない。これは、鋳型による凝固では、鋳型壁面にほぼ垂直な方向に温度勾配が生じて壁面から中心に向けて凝固が進行するが、特に大型であったり、形状が複雑であったりする場合に、鋳鋼品全体を一様な組織とするのが難しいためであると考えられる。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、重量が１０ｋｇ以上となるような大型であっても、すべての部位において低い熱膨張係数を有する鋳鋼品及びその製造方法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、特に重量が１０ｋｇ以上となるような大型であっても、すべての部位について熱膨張係数が低い値を示す、鋳鋼品を製造する方法について鋭意検討した。その結果、鋳造後の鋳鋼品をＭｓ点以下まで強制冷却することにより一部分あるいは大部分をマルテンサイト変態させた後、再度、加熱してマルテンサイト組織をオーステナイト化し、その後、所定の速度で冷却することにより、通常の鋳鋼品であれば１〜１０ｍｍ程度の大きさのオーステナイト結晶粒となる組織が（たとえば非特許文献１参照）、鋳鋼品の全体にわたり、通常の凝固の組織制御では得られない微細な組織となり、その結果、鋳鋼品が大型であっても、どの部位についても熱膨張係数が低い鋳鋼品を製造できることを見出した。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。
【００１２】
（１）成分組成が、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｎｉ：３１〜３４％及びＣｏ：２〜６％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の平均結晶粒径が２００μｍ以下であり、１８〜２８℃における熱膨張係数が０．２×１０-6／℃以下であり、最大肉厚が３５ｍｍ以上であることを特徴とする低熱膨張鋳鋼品。
【００１３】
（２）重量が１０ｋｇ以上であることを特徴とする前記（１）の低熱膨張鋳鋼品。
【００１５】
（３）前記（１）又は（２）の低熱膨張鋳鋼品の製造方法であって、成分組成が、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｎｉ：３１〜３４％及びＣｏ：２〜６％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋳鋼品を、Ｍｓ点以下まで冷却して、Ｍｓ点以下の温度で０．５〜３ｈｒ保持した後室温まで昇温するクライオ処理工程と、クライオ処理を施した鋳鋼品を、８００〜１１００℃に加熱し、０．５〜５ｈｒ保持する再結晶処理工程と、再結晶処理を施した鋳鋼品を、６５０〜３００℃の間における冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上で急冷する冷却工程を順に備えることを特徴とする低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【００１６】
（４）前記クライオ処理工程の前に、さらに、鋳鋼品を８００〜１１００℃に加熱して、０．５〜５ｈｒ保持する溶体化処理工程を備えることを特徴とする前記（３）の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【００１７】
（５）前記クライオ処理工程の前に、さらに、鋳鋼品を１１００〜１３００℃で５〜５０ｈｒ保持する拡散処理工程を備えることを特徴とする前記（３）の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【００１８】
（６）前記溶体化処理工程の前に、さらに、鋳鋼品を１１００〜１３００℃で５〜５０ｈｒ保持する拡散処理工程を備えることを特徴とする前記（４）の低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【００１９】
（７）前記クライオ処理工程と前記再結晶処理工程の間に、さらに、鋳鋼品を３００〜４００℃で１〜１０ｈｒ保持する調質処理工程を備えることを特徴とする前記（３）〜（６）のいずれかの低熱膨張鋳鋼品の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、鋳造後の鋳鋼品に所定の熱処理を施すことにより、鋳鋼品の全体を結晶粒径の小さな組織とすることにより、すべての部位で熱膨張係数が低い鋳鋼品が得られるので、熱的に安定でありかつ複雑な形状が必要となる大型の部品などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】鋳鋼品にクライオ処理を施した後の組織の一例である。
【図２】鋳鋼品に再結晶処理を施した組織の一例である。
【図３】鋳鋼品に溶体化処理を施した後の組織の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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、本発明の鋳鋼品の成分組成について説明する。本発明においては、特に大型の鋳鋼品について、鋳鋼品全体の熱膨張係数を低い値とするため、成分組成を厳密に制御する必要がある。
【００２３】
Ｎｉは、熱膨張係数を低下させる元素である。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。大型の鋳鋼品全体にわたり熱膨張係数を低い値とするためには、Ｎｉ量を狭い範囲に制御する必要がある。具体的には、Ｎｉは３１〜３４％の範囲とする。
【００２４】
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２〜６％とする。
【００２５】
Ｃは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与する。しかしながら、Ｃは再結晶処理工程でマトリックスに固溶し、冷却時に析出し、熱膨張係数を大きくする。熱膨張係数を０．２×１０-6／℃以下にするためには、Ｃの析出量を低くする必要がある。したがって、その量を０．０４％以下とする。
【００２６】
Ｓｉ、Ｍｎ、及びＡｌは脱酸剤として添加される。本発明においては、吹かれの無い健全な鋳鋼品をつくるため、脱酸に必要な最小限の量をそれぞれ添加すればよい。添加量はそれぞれ、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．５％以下、及びＡｌ：０．２％以下とする。
【００２７】
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、意図的に鋼に含有させたものではなく、不可避的に混入するものをいう。
【００２８】
具体的には、Ｓ、Ｐ、Ｃｕ、Ｃｒなどが挙げられる。これらの元素が不可避的に混入する場合の含有量はＰ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．０１％以下程度である。なお、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＡｌも、含有を意図しなくとも不可避的不純物として混入する場合があるが、上述した含有量の範囲であれば問題はない。
【００２９】
本発明の鋳鋼品の組織は、平均粒径が２００μｍ以下のオーステナイト組織である。組織は、微細な等軸晶を中心とする。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。
【００３０】
大型の鋳鋼品の場合、鋳鋼品のすべての組織について、平均粒径が２００μｍ以下のオーステナイト組織となることが重要である。これを満たさない組織が存在すると、鋳鋼品全体で低い熱膨張係数を得ることができなくなる。
【００３１】
次に、本発明の低熱膨張鋳鋼品の製造方法について説明する。
【００３２】
本発明の低熱膨張鋳鋼品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。鋳型で製造された鋳鋼品の組織は柱状晶を中心とした組織となる。この鋳鋼品に、以下の熱処理を施す。
【００３３】
はじめに、鋳鋼品を、Ｍｓ点以下まで急冷し、Ｍｓ点以下の温度で０．５〜３ｈｒ保持した後、室温まで昇温する（クライオ処理工程）。冷却の方法は特に限定されない。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。
【００３４】
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。
【００３５】
本発明の低熱膨張鋳鋼品の成分組成の場合、上式で計算されるＭｓ点は、特にＮｉ量に依存して、−１０℃から−７０℃程度となるので、冷却媒体としてはドライアイスとメチルアルコ−ルあるいはエチルアルコール、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、微細な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。図１に、クライオ処理工程の後の組織の例を示す。
【００３６】
次に、鋳鋼品を８００〜１１００℃まで再加熱し、８００〜１１００℃で０．５〜５ｈｒ保持する（再結晶処理工程）。その後、６５０〜３００℃の間の冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上とし、鋳鋼品を冷却する（冷却工程）。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、冷却工程を経ることでで、オーステナイト組織は、等軸晶を中心とした平均粒径が２００μｍ以下となる微細な組織となる。図２に、再結晶処理工程の後の組織の例を示す。
【００３７】
本発明において、再結晶処理工程の冷却速度は極めて重要である。本発明者らは冷却速度の影響を鋭意検討するため、大型の鋳鋼品の部位および肉厚の異なる箇所に熱電対を埋め込み、冷却時の温度を実測することにより冷却速度を求め、その測定箇所より採取した試験片の熱膨張係数を測定した。その結果、化学成分を上記の範囲とし、オーステナイト組織の平均粒径を２００μｍ以下とし、かつ、６５０〜３００℃の間の冷却速度が３０℃／ｍｉｎ以上とすることにより、１８〜２８℃における熱膨張係数を０．２×１０-6／℃以下にすることが可能であることを見出した。
【００３８】
クライオ処理の前に、鋳鋼品を８００〜１１００℃に加熱して、０．５〜５ｈｒ保持し、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。図３に、溶体化処理を施した後の組織の例を示す。この段階での組織は、通常の鋳鋼品と同様、柱状晶が主体のオーステナイト組織である。
【００３９】
クライオ処理工程の前（溶体化処理工程を設けた場合は溶体化処理工程の前）に、さらに、鋳鋼品を１１００〜１３００℃で５〜５０ｈｒ保持する拡散処理工程を備えてもよい。これにより鋼中のＮｉ及び不純物の偏析がなくなり、大きなサイズの鋳鋼品であっても、極めて低い熱膨張係数を有する鋳鋼品をより安定して製造できる。
【００４０】
クライオ処理工程と再結晶処理工程の間に、再結晶オーステナイト結晶粒をより微細化させるために、鋳鋼品をＡＣ３点直下の３００〜４００℃に加熱し、３００〜４００℃で１〜１０ｈｒ保持するマルテンサイトの調質処理を施してもよい（調質処理工程）。
【実施例】
【００４１】
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、表１に記載の重量、最大肉厚を有する鋳鋼品を製造した。記載のないFe以外の元素の含有量は、不可避的不純物レベルであることを確認した。
【００４２】
製造した鋳鋼品に対し、
（ａ）クライオ処理→再結晶処理
（ｂ）溶体化処理→クライオ処理→再結晶処理
（ｃ）拡散処理→クライオ処理→再結晶処理
（ｄ）拡散処理→溶体化処理→クライオ処理→再結晶処理
（ｅ）拡散処理→溶体化処理→クライオ処理→調質処理→再結晶処理
（ｆ）クライオ処理→調質処理→再結晶処理
（ｇ）溶体化処理
のいずれかの熱処理を施し、最終的な鋳鋼品を得た。
【００４３】
製造した鋳鋼品の各位置における肉厚の中心部より試験片を採取し、前記の熱処理を施し、各試験を行なった。熱膨張係数は、熱膨張測定機を用い、１８〜２８℃の平均熱膨張係数として求めた。オーステナイト組織の平均結晶粒径は、観察した結晶粒の円相当径の平均値として求めた。Ｎｏ．３、Ｎｏ．８及びＮｏ．１６については、複数の位置について測定を行った。結果を表１に示す。
【００４４】
表１に示すとおり、本発明例の鋳鋼品は、結晶粒径が小さく、鋳鋼品全体にわたり低い熱膨張係数が得られていることが確認できた。
【００４５】
【表１】
0006504859.tif 000002
【表２】
0006504859.tif 000003
【図１】
0006504859.tif 000004
【図２】
0006504859.tif 000005
【図３】
0006504859.tif 000006