(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金。
【請求項２】
Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、さらに
Ｖ，Ｗ，NbおよびMoのうちから選んだ一種または二種以上合計で１wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金。
【請求項３】
Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、さらに
Ｓ，Pb, CaおよびSeのうちから選んだ一種または二種以上合計で0.5 wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金。
【請求項４】
Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、さらに
Ｖ，Ｗ，NbおよびMoのうちから選んだ一種または二種以上合計で１wt％以下、
Ｓ，Pb, CaおよびSeのうちから選んだ一種または二種以上合計で0.5 wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロニクスや半導体関連、レーザー加工機さらには超精密加工機器において、強度のみならず熱的な形状安定性が必要とされる治工具や露光装置および高精密旋盤のベット等の用途に供して好適な高強度低熱膨張合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクスや半導体関連、レーザー加工機さらには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使用されていて、その需要も日増しに増加する傾向にある。
しかしながら、インバー合金やスーパーインバー合金は強度が低いため、例えば大形旋盤加工でのボーリングバーやバイトホルダーなど高負荷がかかる部分には使用できない。
【０００３】
また、近年、露光装置や空気軸受け旋盤等がさらに大型化されるのに伴い、そのベット部分に使用されるインバー合金やスーパーインバー合金についても、その剛性の面から、大型、重量化が図られているが、建造物等の制約から大型化はもはや限界にきている。
【０００４】
一方、高強度低熱膨張合金として、少量のＣとＶ，Nbを添加し、さらに冷間加工誘起マルテンサイト変態を応用した架空送電線用材料（例えば特開平６−346193号公報、特開平５−171858号公報、特開平７−228947号公報）が知られているが、これらの合金はいずれも強い冷間加工を必要とするため、大型品には適さない。
【０００５】
また、高強度材料としては、鉄基のマルテンサイト系合金やNi基の時効析出合金等が数多く存在するが、何れも熱膨張係数は14〜23×10-6／℃程度にすぎず、高精度が要求される半導体関連、レーザー加工機および超精密加工機器の部品材料としては使用できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来は、常温での引張強さが 1100 MPa 程度と通常のインバー合金やスーパーインバー合金の約２倍の高強度と、熱膨張係数が４×10-6／℃以下の低熱膨張性とを併せ持つ合金は存在せず、その開発が望まれていた。
【０００７】
この発明は、上記の実情に鑑み開発されたもので、高い強度と低い熱膨張係数という相反する二つの特性を兼ね備えた高強度低熱膨張合金を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、前述した冷間加工誘起マルテンサイト等による強化ではなく、時効処理によって結晶粒内外に微細なNi3(Ti, Al) を析出させて強化する析出強化法について検討した。
しかしながら、TiやAlをインバー合金やスーパーインバー合金に添加するとマルテンサイト開始温度が急激に上昇し、熱膨張係数の急激な増大を招く不利が生じた。
【０００９】
そこで、発明者らは、この問題を解決すべく、さらに研究を重ねた結果、Niの一部をCoで置換することによって、所期した目的が有利に達成されることの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１０】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金（第１発明）。
【００１１】
２．Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、さらに
Ｖ，Ｗ，NbおよびMoのうちから選んだ一種または二種以上合計で１wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金（第２発明）。
【００１２】
３．Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、さらに
Ｓ，Pb, CaおよびSeのうちから選んだ一種または二種以上合計で0.5 wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金（第３発明）。
【００１３】
４．Ｃ：0.15wt％以下、
Si：0.5 wt％以下、
Mn：0.5 wt％以下、
Ti：0.5 〜4.0 wt％、
Al：2.0 wt％以下
を含み、かつ
Ni：30.7〜43.0wt％、
Co：2.0〜10.0wt％を、
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
を満足する範囲において含有し、さらに
Ｖ，Ｗ，NbおよびMoのうちから選んだ一種または二種以上合計で１wt％以下、
Ｓ，Pb, CaおよびSeのうちから選んだ一種または二種以上合計で0.5 wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、常温での引張強さが1100 MPa以上で、かつ−40℃〜100℃間での熱膨張係数が４×10-6／℃以下であることを特徴とする高強度低熱膨張合金（第４発明）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、この発明において、合金の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.15wt％以下
Ｃは、オーステナイトに溶け込んで地の強化に寄与するだけでなく、Tiと結合しTiＣの炭化物を形成して強度を向上させる有用元素であるが、多量に含有されるとマルテンサイト変態を生じ熱膨張係数が大きくなるだけでなく、後述する時効析出に必要なTiの量を低減して実質的な強度の低下をもたらすので、0.15wt％以下に限定した。
【００１５】
Si：0.5 wt％以下
Siは、溶解時における脱酸剤として有用であるが、含有量が 0.5wt％を超えるとキュリー点が低温側に移行し熱膨張係数が大きくなるので、Si量は 0.5wt％以下に限定した。
【００１６】
Mn：0.5 wt％以下
Mnも、Si同様、溶解時における脱酸剤として有効に寄与するが、含有量が0.5 wt％を超えるとやはり熱膨張係数が大きくなるので、Mn量は 0.5wt％以下に限定した。
【００１７】
Ti：0.5 〜4.0 wt％
Tiは、時効処理によってNi−Tiの金属間化合物を微細に析出させ、強度を著しく上昇させる有用元素である。しかしながら、含有量が 0.5wt％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 4.0wt％を超えるとキュリー点が極端に低温側に移行し熱膨張係数が大きくなるので、Ti量は 0.5〜4.0 wt％の範囲に限定した。
【００１８】
Al：2.0 wt％以下
Alは、Tiと共存させることにより、時効処理時に金属間化合物Ni−(Ti, Al)を析出させ、時効後の強度を著しく上昇させる。しかしながら、含有量が 2.0wt％を超えるとキュリー点が極端に低温側に移行し熱膨張係数が大きくなるので、Al量は 2.0wt％以下に限定した。
【００１９】
Ni：30.7wt％以上、43.0wt％未満
Niは、時効処理においてNi−(Ti, Al)の金属間化合物を微細に析出させることにより、強度を著しく向上させる有用元素である。しかしながら、含有量が30.7wt％に満たないとマルテンサイト変態によって熱膨張係数の上昇を招き、後述するCoの添加によっても４×10-6／℃以下の低熱膨張性を得ることができず、一方43.0wt％以上になると自発体積磁歪の減少によりやはり熱膨張係数が大きくなるので、Ni量は30.7wt％以上、43.0wt％未満の範囲に限定した。
【００２０】
Co：2.0〜10.0wt％
本発明では、このCoが特に重要で、このCoでNiの一部を置換することによって、熱膨張係数を効果的に小さくすることができる。特に、常温近辺での最小の熱膨張係数が得られるのは 2.0〜10.0wt％の範囲であるので、Coはこの範囲に限定した。
【００２１】
37.7≦Ni＋0.8 Co≦43.0
NiおよびCoは、上記したように強度の向上や熱膨張係数の低減に有効に寄与するが、上記の範囲で添加したとしても必ずしも良好な結果が得られるというわけではなく、熱膨張係数の効果的な低減には、NiとCoの合計量をある範囲におさめる必要がある。
【００２２】
図１に、熱膨張係数αに及ぼすNiとCoの影響について調べた結果を整理して示す。図中、斜線で示した領域が４×10-6／℃以下の熱膨張係数が得られた好適領域である。
これに対し、（Ni＋0.8Co)が43.0を超える領域Ａでは、（Ni＋Co）が多量に含まれ、自発体積磁歪が減少するため、熱膨張係数が４×10-6／℃以上と急激に大きくなった。
また、（Ni＋0.8Co)が37.7を下回る領域Ｂでは、マルテンサイト変態温度が急激に上昇するため、やはり熱膨張係数は４×10-6／℃以上となった。
さらに、領域Ｃは、常温近辺での熱膨張係数を効果的に減少できるほどの自発体積磁歪を与えるNi量を確保できず、また一部はマルテンサイト変態も生じるたは、熱膨張係数は４×10-6／℃以上の大きな値となった。
【００２３】
以上、基本成分について説明したが、この発明ではさらに強度改善成分としてＶ，Ｗ，NbおよびMoのうちから選んだ一種または二種以上を、また被削性改善成分としてＳ，Pb，CaおよびＳのうちから選んだ少なくとも一種を適宜添加することができる。
以下、これらの選択成分の適正成分組成範囲について説明する。
Ｖ，Ｗ，Nbおよび／またはMo：１wt％以下
Ｖ，Ｗ，NbおよびMoはいずれも、遊離のＣと結びついて炭化物を形成し、強度の向上に有効に寄与するが、１wt％を超える多量の添加は熱膨張係数を大きくするので、１wt％以下で添加する必要がある。
【００２４】
Ｓ，Pb，Caおよび／またはSe：0.5 wt％以下
Ｓ，Pb，Caおよび／またはSeはいずれも、切削性を向上させるのに有用な元素であり、単独または複合して添加することができる。しかしながら、これらの量が0.5 wt％を超えると熱間加工性および鋳造性が害されるので、含有量は 0.5wt％以下に限定した。
【００２５】
【実施例】
表１に示す成分組成になる供試鋼（No.1〜17）をそれぞれ、7.5 kg真空中で誘導溶解し、65mmφのインゴットを作製した。
ついで、No.８，15 を除き各インゴットを1050℃〜1100℃で熱間鍛造し、直径：13mmの丸棒を作成した。一方、８，15はインゴットから直接、直径：13mmの丸棒に削りだした。
その後、No.16, 17 の参考例（インバー合金およびスーパーインバー合金）以外については、所定の長さに切断後、1100℃, １ｈの溶体化処理を施したのち、700 ℃，４ｈの時効処理を施して、引張試験片、熱膨張係数測定試験片、硬度試験片を作成した。
かような試験片を用いて、引張強さ、熱膨張係数および硬度について調査した結果を、表２に示す。
【００２６】
なお、引張強さは、平行部５Ｄの試験片に作成し、引張速度：３mm/minでオートグラフで引張試験を行って測定した。
熱膨張係数は、５Ｄ×50mmの試料を作成し、−40℃〜 100℃間を昇温速度：１℃/minで測定した。
硬さは、No.1〜15はロックウエルＣで、一方 No.16, 17はロックウエルＢで測定した。
【００２７】
【表１】
0003730360.tif 000002
【００２８】
【表２】
0003730360.tif 000003
【００２９】
No.1〜３およびNo.９〜11 は、本発明の基本成分を決定する条件で、本発明条件内の組成No.1〜３は熱膨張係数も４×10-6／℃以下と鉄の１／３以下の小さな値を示し、強度も1100 MPa以上の高強度を示している。
これに対し、 No.９〜11はいずれも、強度は1100 MPaと高い値を示したが、No.９ は（Ni＋Co）＜37.7の領域Ｂに属するため、マルテンサイト変態が生じて熱膨張係数が 9.6×10-6／℃と大きくなり、またNo.10 は逆に（Ni＋Co）＞43.0の領域Ａに属するため、自発体積磁歪の減少により、常温近辺の熱膨張係数は5.7 ×10-6／℃と大きな値を示した。さらに、No.11 は、37.7≦（Ni＋Co）≦43.0の適正範囲に入っているものの、Niが 30.01wt％と低く、領域Ｃに属するために、熱膨張係数は 8.8×10-6／℃と大きな値を示した。
【００３０】
また、No.４〜８はそれぞれ、選択元素を添加した例であるが、本発明の範囲を満足しているので、それぞれ 1000 MPa 以上の高強度と４×10-6／℃以下の低い熱膨張係数を有している。なお、No.８ は鋳造の例である。
これに対し、比較例のNo.12 は、Ｃが高くマルテンサイト変態が−40℃以上で生じるため、熱膨張係数が 7.6×10-6／℃と大きな値を示した。
No.13 は、（Ｗ＋Mo）が 1.0wt％超含まれ、さらにAlが 2.0wt％超含まれた例で、強度は1300 MPaと高強度を示すものの、熱膨張係数は 5.2×10-6／℃と大きな値を示す。
No.14 は、（Ｖ＋Nb）が 1.0wt％超含まれた場合の例で、強度は1400 MPaと高いけれども、熱膨張係数は 5.8×10-6／℃と大きな値を示した。
No.15 は、Tiが５wt％と上限を超えて含有された鋳造での例であるが、強度は1400 MPaと高いものの、熱膨張係数は 6.8×10-6／℃と大きな値を示した。
【００３１】
さらに、No.16, 17 は、Ti, Alを全く含まない従来のインバー合金（No.16)、スーパーインバー合金（No.17)であるが、これらの合金はいずれも、熱膨張係数が小さく良好な値を示すけれども、Ti，Alを含まないために時効硬化性がなく引張強さは 465 MPa程度と低い値しか得られなかった。
【００３２】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、従来、相反する特性とされた高い強度と低い熱膨張係数を兼ね備えた高強度低熱膨張合金を安定した得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱膨張係数αに及ぼすNiとCoの影響を示した図である。
【図１】
0003730360.tif 000004