(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドミル加工と、めっきが施されるＦｅ−Ｎｉ系材料であって、該Ｆｅ−Ｎｉ系材料は質量％でＮｉ：２５〜５５％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｏ：０．００５％以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成からなり、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１６〜０．１％、（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１であることを特徴とする快削性低熱膨張材料。
【請求項２】
エンドミル加工と、めっきが施されるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系材料であって、該Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系材料は質量％でＮｉ：２５〜５５％、Ｃｏ：２０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｏ：０．００５％以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成からなり、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１２〜０．１％、（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１であることを特徴とする快削性低熱膨張材料。
【請求項３】
質量％でＴｉ：０．０５％以下添加することを特徴とする請求項２に記載の快削性低熱膨張材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被削性に優れた低熱膨張材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
FeにNiを加えていくと熱膨張係数は急激に変化し、Niを質量％で36％含有させたインバー合金の組成で熱膨張係数は最小となる。このような低熱膨張材料としては、インバー合金のNiの一部をCoで置換して一層の低熱膨張化を図ったスーパーインバー合金や、ガラスやセラミックスの熱膨張係数にほぼ一致させたFe-29Ni-18Co合金等の封着合金が知られている。
近年、エレクトロニクスや半導体関連、またレーザー加工機や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や、スーパーインバー合金が使用されるようになってきており、その需要量は日増しに増加している。また、セラミックスと金属の接着、複合化も盛んに行われていて、封着合金に対する需要も高い。
【０００３】
しかしながら上記のインバー、スーパーインバー合金などのFe-Ni系材料またはFe-Ni-Co系材料（以下Fe-Ni-(Co)系材料）は軟質であることから、切削加工やドリル加工を施した時に、被削面の表面がむしれた状態になり易く、バリの発生も大きい。さらに工具磨耗も大きく、工具寿命が短いため、Fe-Ni-(Co)系材料の被削性改善が望まれていた。
この合金の被削性を改善する手法として、Pb,S,Ti,W等各種微量元素を添加する方法が提案されている。
【０００４】
たとえば特開昭61-13367号公報では、Fe-Ni-Co系材料にPb:0.05〜0.50％添加することにより、被削性を改善した封着合金の提案がなされている。特開平4-246155号公報では快削元素としてSを0.01〜0.50％添加している。ただ単にSを添加するだけでは低融点のニッケルサルファイドを形成し熱間加工性を阻害すると考えられており、Sと結合力の強いTiを0.05〜2.5％添加しTi-Sを形成させることによって低融点のニッケルサルファイドの形成を抑制する。この場合、Ti/S比：0.7〜5.0の範囲にする必要がある。特開平11-279707号公報では快削元素として、W:0.5〜7％添加を提案している。さらにS及び、又はSeとMn、Caとを一定の範囲で添加することにより、サルファイド及びセレナイドを形成し被削性を改善させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開昭61-13367号公報に開示されるPb添加合金は、被削性改善には効果があるものの、毒性が強いために、これらの元素を添加するには特別な設備を必要とし、また熱間加工性が著しく阻害される。Sは快削元素としてよく利用される元素であり、Mnと結びつきMnSとして被削性を改善する。ただし、Sは結晶粒界に偏析しやすく熱間加工性を阻害する。
特開平4-246155号公報はS添加合金の熱間加工性を改善するためにTiを添加しているが、Sが介在物として存在するために、粗大化すると仕上げ表面の欠陥となり、めっき性を阻害する。微量元素を添加し介在物を形成して被削性を改善する方法は、製造方法により介在物が粗大化しやすく、めっき性を阻害するため、実用化する上で大きな問題となる。
また特開平11-279707号公報のようにWを快削元素として添加する場合は、添加量が多いため熱膨張係数が大きくなり、所望の低熱膨張特性が得られなくなる。
本発明の目的は、Fe-Ni-(Co)系材料の被削性を解決し、さらにめっき性の優れた低熱膨張材料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-Ni-(Co)系材料の被削性の問題を検討し、従来の介在物を利用する方法に頼らないで、被削性を改善できる方法を見出し本発明に至った。本発明では合金中に固溶状態で存在するAlであって、酸に可溶な、所謂sol.Al（soluble  Al）を増量することにより、工具磨耗が大きく低減されることを確認した。加えて、本発明では介在物に依存しないので、めっき性を損うこともない。
【０００７】
すなわち本発明の第一は、エンドミル加工と、めっきが施されるＦｅ−Ｎｉ系材料であって、該Ｆｅ−Ｎｉ系材料は質量％でＮｉ：２５〜５５％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｏ：０．００５％以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成からなり、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１６〜０．１％、（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１であることを特徴とする快削性低熱膨張材料である。
【０００８】
また、本発明の第二は、エンドミル加工と、めっきが施されるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系材料であって、該Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系材料は質量％でＮｉ：２５〜５５％、Ｃｏ：２０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｏ：０．００５％以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成からなり、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１２〜０．１％、（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１であることを特徴とする快削性低熱膨張材料である。
【０００９】
また本発明では、めっき性を阻害しない範囲で介在物の効果を併用することもできる。例えば、質量％でTi:0.05％以下の範囲で、本発明の第二発明に対して、更に添加も可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者の検討によればAlを固溶状態でFe-Ni-(Co)系材料中に存在させた場合、すなわちsol.Alとして存在させた場合には、被削性が改善する。
Fe-Ni-(Co)系材料におけるsol.Alによる被削性改善のメカニズムは未だ明らかでないが、sol.Alが被削面の工具との界面で反応し、Al系の反応物を工具表面に形成し、潤滑、保護膜作用を付与すると考えられる。
【００１１】
このｓｏｌ．Ａｌによる効果を得るにはＦｅ−Ｎｉ系材料であればｓｏｌ．Ａｌを０．０１６％以上に調整し、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系材料であればｓｏｌ．Ａｌを０．０１２％以上に調整する必要がある。一方ｓｏｌ．Ａｌを０．１％を越えて調整すると、熱膨張係数が大きくなり所望の熱膨張係数が得られなくなるため、上限を０．１％とした。より好ましいｓｏｌ．Ａｌの含有量は０．０５〜０．０１％である。ｓｏｌ．Ａｌの調整は不純物酸素量の低減や、Ａｌより酸素との親和力の高い元素の添加、介在物の固溶を目的とした高温拡散処理などにより行うことが出来る。
また、めっき性に悪影響を及ぼす要因は材料表面に顕在化している介在物であるが、固溶状態で存在しているＡｌは、めっき性には影響を及ぼさない。よって、本発明によれば、Ｆｅ−Ｎｉ系材料のめっき性を低減することなく被削性を改善することが出来る。
【００１２】
次に、より具体的な組成を開示した発明である、質量％でＮｉ：２５〜５５％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成からなり、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１６〜０．１％、（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１である快削性低熱膨張材料について説明する。
ＮｉはＦｅとの合金化により熱膨張係数を低減する基本的な構成元素であるがＮｉ：２５〜５５質量％含有することで熱膨張係数を所望の値に低減することができる。
Ａｌはｓｏｌ．Ａｌを形成するために必要な元素であり０．０１％以上添加する。一方、多量に添加するとｓｏｌ．Ａｌの形成量に対するアルミナの形成量が増大し、材料の被削性を低下する。よってＡｌの添加量は０．１％以下とする。
ｓｏｌ．Ａｌの規定理由、好ましい範囲は前記の本発明と同じであるが、ＡｌはＦｅ−Ｎｉ−（Ｃｏ）系材料中で、主にｓｏｌ．Ａｌまたはアルミナとして存在し、アルミナは２０００ＨＶ以上の硬質な介在物であるため、工具を機械的に磨耗させる。またアルミナが存在すると被削性も低下させる。よってｓｏｌ．Ａｌ以外のＡｌの量は０．０１％以下、すなわち（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１とする。なお（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．００５に制御することが好ましい。
【００１３】
また上記Ｎｉの一部をＣｏで置換し、質量％でＮｉ：２５〜５５％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成からなるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系材料においても、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１２〜０．１％、（Ａｌ−ｓｏｌ．Ａｌ）≦０．０１とすることで上記のＦｅ−Ｎｉ合金と同様の効果が得られる。ＮｉとＣｏの置換の割合は必要とする熱膨張係数に応じて、上記の範囲内で適宜定めればよい。
【００１４】
なお、以上の本発明で規定するsol.Alの含有量は、JIS  G1257付属書15に記載の方法により測定することができる。
【００１５】
上記本発明の合金において、前述した以外の添加元素とその添加量、及び不純物量について以下に述べる。
O:0.005％以下
Oは不可避的に含有する不純物でありAlと結合するとアルミナを生成する。アルミナを生成すると、それ自身が硬質であるため工具の磨耗を促進するばかりではなく、被削性改善に有効なsol.Alを低減するので、被削性を阻害する。Oは0.005％以下に低減する。より好ましくは0.003%以下である。
【００１６】
Si:0.05〜0.5％
Siは固溶状態で被削性を改善する効果があるため0.05%以上添加する。Siは切屑表面にSi含有量の高い酸化物を形成する。高速切削加工では、切屑表面温度が1000〜1200℃位にまで加熱されるが、切屑表面に形成したSi含有量の高い酸化物の融点はこの温度より低いため、溶融して工具表面に潤滑作用を付与して工具磨耗を抑える。被削性改善のためSiを0.1％以上含有することが望ましい。0.5％を越えると熱膨張係数が悪くなるために、上限を0.5％とする。
【００１７】
S:0.02％以下、Mn:1％以下、Ti:0.05％以下
Sは快削元素として用いられる元素であり微量の添加でMnと化合物を形成し被削性を向上することが出来る。MnSの形成はめっき性を低減するが、固溶Alとの効果を併用することで、被削性を一層改善することができる。しかし多量に入れ過ぎると、粗大なMnSが増えてめっき性が大幅に阻害されるため、Sを0.02％以下、Mnを1％以下で含有する。
また単にS、Mnを添加すると粗大なMnSが形成され易いので、Tiを0.05%以下含有することが好ましい。上限を0.05％とするのは0.05％を越えると熱膨張係数を悪くするからである。なお、Tiは0.01%以上含有することで効果が特に明確となり好ましい。
【００１８】
【実施例】
表１に示す成分組成よりなる溶鋼を真空溶解で10kgの鋼塊にした後、熱間加工で5mm×150mmの板に仕上げた。その後850℃のプレス焼鈍を行い、表面の黒皮をフライス加工により除去した。
切削試験はTiAlN被膜超硬合金製２枚刃φ８エンドミルを用いて、深さ2.5mmの溝切削を行った。切削速度は50m/min、100m/minの２条件にて行い、いずれも水溶性エマルジョンをクーラントに用い、送り速度0.015mm/刃で切削試験を行い、エンドミルの磨耗量を評価した。5m切削試験後の境界磨耗量を表２に示す。なお、本実施例においてsol.Al量、および全Al量の測定は、JIS  G1257付属書１４、１５に準拠して行った。
【００１９】
【表１】
0004123467.tif 000002
【００２０】
【表２】
0004123467.tif 000003
【００２１】
めっき性は脱脂、酸処理後、厚さ0.5μmのストライクめっきを施し、その上に厚さ3μmのAgめっきを施した後、450℃で5分間、大気中で加熱し、めっき膨れの無いものを○、膨れの生じたものを×で評価する。
【００２２】
No.1はsol.Al量の少ない通常のFe-Ni-Co系合金でありエンドミルの磨耗量は大きい。
No.2〜No.6は本発明の合金の範囲内でsol.Al量を増量したものである。sol.Al量の増量と伴に磨耗量が少なくなり、被削性が改善されている。参考例No.7は酸素量が高く、アルミナ系の介在物がやや多くなっている。またsol.Al量が少なくなっており、比較的被削性改善の効果が小さい。No.8はAlに加えて、さらにSiを増量したものである。高速切削でさらにエンドミルの磨耗量が抑制されており、被削性改善に効果がある。No.9はS量を増量しMnSにより被削性の改善を図ったものであるが、Tiと複合添加によりMnSは微細分散している。エンドミル磨耗量は少なくなり、被削性の改善に効果が大きい。また介在物も微細分散しているため、めっき性も阻害されない。
【００２３】
No.10はS添加のみにより被削性を改善したものである。低速切削側では磨耗量の低減に効果があるが、高速では被削性改善の効果は小さい。また粗大なMnSの介在物量が多く、この介在物が原因となりめっき膨れが発生する。図１にsol.Alにより被削性を改善した本発明のNo.3と、S添加によるNo.10の試料の表面を10%ナイタールで腐食した後のミクロ組織を示す。No.10では最大で25μm程度の介在物が析出しているが、本発明のNo.3ではそのような介在物の析出は見られない。
No.11〜No.13はそれぞれ、インバー合金、スーパーインバー合金、42％Ni合金にAlを添加したもので、エンドミル磨耗量が少なく、Al添加はこれらの低熱膨張材料にも被削性改善に効果がある。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、Fe-Ni-(Co)系低熱膨張材料のめっき性を損わずに被削性を飛躍的に改善することができ、各種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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と比較例のミクロ組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。
【図１】
0004123467.tif 000004