(57)【要約】【課題】本発明の目的は、常温付近〜温間域で熱膨張係数を他の部材に合わせるために30〜200℃までの平均熱膨張係数を低く制御し、かつ耐食性にも優れた低熱膨張耐食合金を提供することである。【解決手段】本発明は質量％でC:0.15%以下、Cr:8.5%以上10.0%未満、Co:56.0%を越えて58.0%未満、残部は実質的にFeからなる低熱膨張耐食合金である。本発明では質量％でC:0.01〜0.15%、Cr:9.0%以上9.5%未満、Co:56.5%を越えて57.0%以下、残部は実質的にFeからなり、かつ30℃〜200℃までの平均熱膨張係数が4.0×10-6/℃〜7.0×10-6/℃であることが好ましい。また、質量％でS:0.005%以上0.5%未満であることが好ましい。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でC:0.15%以下、Cr:8.5%以上10.0%未満、Co:56.0%を越えて58.0%未満、残部は実質的にFeからなることを特徴とする低熱膨張耐食合金。
【請求項２】
質量％でC:0.01〜0.15%、Cr:9.0%以上9.5%未満、Co:56.5%を越えて57.0%以下、残部は実質的にFeからなり、かつ30℃〜200℃までの平均熱膨張係数が4.0×10-6/℃〜7.0×10-6/℃であることを特徴とする低熱膨張耐食合金。
【請求項３】
質量％でS:0.005%以上0.5%未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の低熱膨張耐食合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張と優れた耐食性を兼備した低熱膨張耐食合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造分野等では、組み立て時の洗浄工程など使用環境によって製造装置の部品に耐食性が必要とされており、従来、オーステナイト系のステンレス鋼が用いられてきた。近年、部品の高精密化が進み、低熱膨張部材が要求されるようになったが、オーステナイト系ステンレスは熱膨張係数が大きく、他の部材との熱膨張係数が整合しないため、使用中に熱膨張差による歪、またはクラックが発生するという問題点があった。
そのため、ステンレス鋼を低熱膨張化することを目的として改良することが提案されている。
【０００３】
たとえば特開平5-180615号では、代表的なステンレスインバー合金（重量%でCo:53〜54%,Cr:9〜10%,Fe:36〜37%）を使用し、走査型トンネル顕微鏡用のガイド部材として用いている。また、特開平7-328509号では、有機溶剤の塗布装置としてステンレスインバー合金を用いており、重量%でCo:52.5〜56.0%,Cr:9.0〜10.5%残部がFe及び不可避的不純物からなる組成が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のステンレスインバー合金は耐食性と低熱膨張を兼備した材料として知られているが、実用上の製品レベルでは十分な低熱膨張特性が得られないという問題点がある。これに対し本発明者は特開平14-88432号においてCo、Cr量の最適化によりFe-Cr-Co-C系で熱膨張係数が最も小さくなる組合せを見出した。
一方、従来は使用環境が常温付近である為100℃までの熱膨張係数が小さいことが重要であったが、近年、100℃以上の温度域、具体的には200℃程度の温間域にまで熱膨張係数の整合が要求されるようになってきている。100℃以下の常温付近における低熱膨張化を目的として開発されている従来の合金では、熱膨張曲線における屈曲点が100〜200℃の間にあり、その屈曲点と対応する温度を越えた温間域で使用した場合に、他の部材との接触部や接合部での応力により歪みやクラックを生じることが問題となっている。
【０００５】
本発明の目的は、常温付近〜温間域で熱膨張係数を他の部材に合わせるために30〜200℃までの平均熱膨張係数を低く制御し、かつ耐食性にも優れた低熱膨張耐食合金を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Fe-Cr-Co-C系合金の熱膨張曲線における屈曲点を高める方法について鋭意検討した結果、Co量を増すことが最も効果的であることを見出した。さらに200℃迄安定して、低い熱膨張係数を得るためにCo、Cr量の組合せを最適化し、さらにはC量の最適量を見いだし本発明に至った。
【０００７】
すなわち本発明は、質量％でC:0.15%以下、Cr:8.5%以上10.0%未満、Co:56.0%を越えて58.0%未満、残部は実質的にFeからなることを特徴とする低熱膨張耐食合金である。
好ましくは、質量％でC:0.01〜0.15%、Cr:9.0%以上9.5%未満、Co:Co:56.5%を越えて57.0%以下、残部は実質的にFeからなり、かつ30℃〜200℃までの平均熱膨張係数が4.0×10-6/℃〜7.0×10-6/℃であることを特徴とする低熱膨張耐食合金である。
より望ましくは、上記合金のS量を質量％で0.005〜0.5%であることを特徴とする低熱膨脹耐食合金である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の重要な特徴は、実用製品レベルで目標の熱膨張が得られるCo、Cr量の最適組合せ、及びC量を見出した点にある。
本発明において、合金の組成を上記のように定めた理由は次の通りである。
【０００９】
C：0.15％以下
Cは本発明では必須元素である。Cは少量でオーステナイト相を安定にする効果がある。一般にインバー合金はいずれも面心立方格子を有している。C量が少ないとマルテンサイト相を形成しやすく、低熱膨張特性が得られない。好ましくは0.01％以上添加する必要がある。0.15％を越えて添加すると、Cr系の炭化物の析出が起こり易く、耐食性が劣化するので、上限を0.15%とした。
【００１０】
Cr：8.5%以上10.0%未満
Crは耐食性を確保するのに重要な元素であり、またCoと最適な組合せにより目標の熱膨張が得られる。Cr量が7.5〜9.0％の間でFe-Cr-Co-C系の熱膨張は最小になり、これよりも大きくなると熱膨張係数は大きくなる。目標の熱膨張係数を得るにはCr量を8.5％以上10.0％未満にする必要がある。好ましくは9.0％以上9.5％未満がよい。
【００１１】
Co:56.0%を越えて58.0%未満
Coは熱膨張を制御するのにCrとの組み合わせで重要な元素である。Fe-Cr-Co-C系合金において、Co量が56.0％未満だと100℃まででは低熱膨張が得られるが、100℃を越えると熱膨張係数が大きくなり200℃まで安定して低い熱膨張を得ることができない。即ち熱膨張曲線において100℃を越えてすぐの温度域に屈曲点を含んでおり、100℃を越えると安定して低熱膨張を得ることができない。56.0％以上とすることによりキュリー点が向上し200℃まで安定して低熱膨張が得られる。一方、58.0％以上では平均熱膨張が大きくなってくるため56.0〜58.0％とする。好ましくは、Co量は56.5%を越えて57.0％以下とする。
【００１２】
以上に述べた範囲で組成を調整するとで、30℃〜200℃までの平均熱膨張係数が4.0×10-6/℃〜7.0×10-6/℃を達成することができる。
【００１３】
以下に本発明における、好ましい添加元素の組成範囲を述べる。
S:0.005〜0.5％
SはMn、Crと結合し硫化物として存在する。本合金は非常に粘く、被削性が極めて悪い。Sを0.005％以上添加することにより被削性改善の効果が現れる。0.5％以上添加すると熱間加工性が極めて悪くなり、歩留りが低下するので上限を0.5％とする。
【００１４】
Si及びMn:1%以下
Si及びMnは脱酸剤として添加されるが、過度に添加されると介在物量が多くなり、介在物を起点として腐食が進行しやすくなるので1％以下が好ましい。Mnはより好ましくは0.5％以下とするのがよい。MnはSと結合し硫化物を生成し、被削性を改善するのに効果があるが、硫化物におけるMnの比率が多くなると耐食性が劣化する。Mnを0.5％以下とすることにより硫化物中のMnの比率が少なくなり、代わりにCrの比率が高まり介在物の耐食性を向上させる。
【００１５】
【実施例】
大気高周波溶解し、表１に記載の成分を有する鋼塊を作製した。合金元素の拡散均質化をする目的で、1200℃で24hソーキング処理を施した後、1100℃に加熱し、一辺が30mmの角材に鍛造した。その後、炭化物を固溶させ完全にオーステナイト化することにより耐食性を向上させる目的で、この角材を1000℃で30min加熱保持後水冷を行ない、供試材とした。熱膨脹係数は30〜200℃の範囲で測定した。その平均線熱膨脹係数を表１に併せて示す。熱膨張曲線の屈曲点の測定は低温側のほぼ直線に近い部分の外挿線と、高温側のほぼ直線に近い部分の外挿線の交点から求めた。
【００１６】
また、耐食性を評価するために塩水噴霧試験で錆が発錆するまでの時間を測定した。試験条件はJIS  Z  2371の試験条件に合わせ35℃の5%NaClを用いた。表1に錆発生までの時間を示した。被削性の評価のために旋削試験を行なった。バイトにCo含有ハイスSKH59を用い、切削速度42m/min、送り速度0.15mm/revとしバイト刃先逃げ面磨耗量が0.2mmに達するまでの切削時間を測定した。表１に測定結果を示す。
【００１７】
No.1〜11は本発明合金であり、CrとCoの最適組み合わせにより、200℃まで熱膨張が安定しており、7.0×10-6/℃以下の熱膨張係数が得られる。特にCo量が56.5％以上のNo.5〜10は屈曲点が200℃以上で、200℃まで熱膨張曲線はほぼ直線的である。No.1はCr量が低めで最小熱膨張が得られる組成に近いため、熱膨張係数はやや低めである。No.2〜5は熱膨張係数に対するCr添加量の効果を調べたものであるが、Cr量が多いものほど熱膨張は大きい。
No.8〜10はSを添加し被削性の改善を図ったもので、No.1〜7に比べ旋削試験における切削時間が長く、切削工具磨耗の低減、バリ抑制に効果があった。
【００１８】
No.11はC量が低いため、一部マルテンサイト組織となっており、熱膨張係数はやや大きめである。
No.12、13はCo量が本発明の特許請求の範囲よりも低く、100℃までは4.0〜6.0×10-6/℃とほぼ目標の熱膨張が得られるが、屈曲点が120〜150℃で100℃を越えると熱膨張曲線の傾きが大きくなり、200℃までの平均の熱膨張係数は大きい。
No.14はFe-Cr-Co合金で最も低い熱膨張が得られる組成に近く、熱膨張は最も小さい。ただし屈曲点が約130℃で屈曲点を超えると熱膨張の傾きは急である。
【００１９】
また、本発明合金は上記の低熱膨張特性に加えて、耐酸化性にも優れるものである。
【００２０】
【表１】
2004204255.tif 000002
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、低熱膨張と優れた耐食性を兼備しており、腐食環境下における精密部品の実用化にとって欠くことのできない技術となる。