高刚性低热膨胀铸件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有高的杨氏模量的高刚性低热膨胀铸件及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 作为电子和/或半导体相关设备、激光加工机、超精密加工设备的部件材料，广泛 使用在热学上稳定的因瓦合金。但是，以往的因瓦合金存在杨氏模量较小、为一般钢材的二 分之一左右的问题。因此，需要进行将成为对象的部件的壁厚增厚等的高刚性化设计。
[0003] 在专利文献1中，为了解决该问题而公开了：通过添加Nb等制作锭之后，实施热锻 造和/或乳制加工而提高了杨氏模量的、高杨氏模量低热膨胀Fe-Ni合金。
[0004] 在专利文献2中公开了利用了合金钢的超精密设备的构件，所述合金钢是将Ni和 Co的含量适当化，通过固溶以及时效处理使微细的Ni3(Ti，Al)析出从而提高了杨氏模量的 合金钢。在专利文献2中记述了即使是铸造品也能得到与锻造品同样的效果。即，完全没 有涉及到由热锻造和/或乳制加工带来的晶粒微细化作用。
[0005] 在专利文献3中公开了一种铸铁，所述铸铁是通过深冷处理至_40°C以下的温度， 使奥氏体基体中分散马氏体相，由此提高了杨氏模量的铸铁。但是，如专利文献2所述，马 氏体相变哪怕稍微地产生，热膨胀系数也显著变高，不能得到实现了低热膨胀且高杨氏模 量的合金。
[0006] 另一方面，一般地，具有复杂形状的构件，从制造的容易度出发，不进行机械加工 和/或焊接而使用铸件。铸件通过向铸模流入熔液而能够得到任意的形状，因此具有制造 容易的优点。
[0007] 在利用铸模进行的凝固中，在大致垂直于铸模壁面的方向产生温度梯度，因此晶 体与温度梯度平行地生长，形成柱状晶。即，与实施了锻造加工的情况不同，成为晶体在一 个方向上一致的组织。该倾向在Ni的含量多时变得特别显著。
[0008] 根据对于单晶低热膨胀合金的结晶取向和杨氏模量的研究已知：由< 100 >方向 的晶体构成的组织，与由< 111 >方向、< 110 >方向的晶体构成的组织相比，杨氏模量小。 柱状晶的优先生长方向为< 100 >方向，因此可以认为铸件的杨氏模量变低。
[0009] 在先技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :特开平7-102345号公报
[0012] 专利文献2 :特开平11-293413号公报
[0013] 专利文献3 :特开平06-179938号公报
【发明内容】
[0014] 以往的低热膨胀铸件如上述那样杨氏模量低，因此存在以下问题，g卩，即使是具有 复杂形状的构件也需要低热膨胀且高刚性的构件，不能够作为铸件来制造。
[0015] 另外，在低热膨胀铸件中，作为从奥氏体开始马氏体相变的温度的Ms点容易为 o°c前后，例如在寒冷地方的输送等中会进行马氏体相变而失去低热膨胀特性，因此存在能 够使用的温度环境容易被限制的问题。
[0016] 但是，若实施锻造，则具有复杂形状的构件的制造较难，另外，存在以下问题：设 备、模具、加工都非常贵，量产速度与铸造相比较慢。
[0017] 本发明的课题是解决上述的问题，提供即使在不实施锻造的铸造的状态下也具有 高的杨氏模量、且具有比以往低的Ms点的高刚性低热膨胀铸件及其制造方法。
[0018] 本发明人专心研究了提高铸件的杨氏模量的方法。其结果发现：铸造后的铸件的 组织为奥氏体，但通过冷却至Ms点以下使一部分或大部分进行马氏体相变后，再次加热而 使马氏体组织进行奥氏体化，由此再结晶了的奥氏体组织，以等轴晶为主体的结晶取向为 任意的，成为不能由通常的凝固的组织控制得到的微细的组织，其结果，能够得到具有高杨 氏模量的低热膨胀铸件。本发明是基于上述的见解完成的，其要旨如下。
[0019] (1) -种高刚性低热膨胀铸件，其特征在于，以质量％计含有Ni:27~35%，余量 为Fe以及不可避免的杂质，奥氏体组织的平均晶体粒径为200μπι以下。
[0020] (2)根据上述⑴所述的高刚性低热膨胀铸件，其特征在于，以质量％计还含有 Co:0· 1 ~18%〇
[0021] (3)根据上述⑴或⑵所述的高刚性低热膨胀铸件，其特征在于，以质量％计还 含有Μη:0. 5%以下、C:0. 2%以下、和Si:0. 3%以下之中的任一种以上。
[0022] (4)根据上述⑴~⑶的任一项所述的高刚性低热膨胀铸件，其特征在于，以质 量％计还含有S:0. 05%以下、Se:0. 05%以下、Ti:0. 5%以下、Nb:0. 5%以下、和A1 :0. 1% 以下之中的一种以上。
[0023] (5)根据上述（1)所述的高刚性低膨胀铸件，其特征在于，以质量％计还含有Co: 2. 0 ~8. 0%，而且含有Μη:0· 3% 以下、B:0· 05% 以下、Mg:0· 1% 以下、C:0· 1% 以下、Si: 0. 2%以下、S:0. 05%以下、以及Ce和/或La:0. 1 %以下之中的任一种以上。
[0024] (6) -种高刚性低热膨胀铸件的制造方法，其特征在于，具备一次以上的RC处理， 所述RC处理依次具备以下工序：
[0025] 低温处理工序，该工序将具有上述（1)~（5)的任一项中记载的成分组成的铸钢 从室温冷却至Ms点以下，在Ms点以下的温度保持0. 5~3小时后升温至室温；和
[0026] 再结晶处理工序，该工序将实施了上述处理的铸钢加热至800~1200°C，保持 0. 5~5小时后进行急冷。
[0027] (7)根据上述（6)所述的高刚性低热膨胀铸件的制造方法，其特征在于，在所述RC 处理之前还具备固溶处理工序，所述固溶处理工序将铸件加热至800~1200°C保持0. 5~ 5小时。
[0028] (8)根据上述（6)或（7)所述的高刚性低热膨胀铸件的制造方法，其特征在于，在 所述RC处理循环的至少一次中，在所述低温处理工序与所述再结晶处理工序之间还具备 调质处理工序，所述调质处理工序将铸钢在300~400°C保持1~10小时。
[0029] 根据本发明，通过使铸件形成为以等轴晶为中心的晶体粒径小的组织，能够得到 具有高的刚性、且Ms点低的低热膨胀铸件，因此能够适用于在热学上稳定且需要复杂形状 的部件等。
【附图说明】
[0030] 图1是对铸件实施了低温处理后的组织的一例。
[0031] 图2是对铸件实施了固溶处理后的组织的一例。
[0032] 图3是对铸件实施了再结晶处理的组织的一例。
[0033] 图4是实施了低温处理的试件的加热相变曲线的一例。
[0034] 图5是实施例1中的进行了宏观组织观察的铸件的组织。
[0035] 图6是实施例1中的进行了显微组织观察的铸件的组织。
[0036] 图7是实施例2中的进行了显微组织观察的低温处理与再结晶处理之间的铸件的 组织。
【具体实施方式】
[0037] 以下，对本发明详细地说明。以下，关于成分组成的" ％ "只要没有特别说明就表 示"质量％ "。起初，对本发明的铸件的成分组成进行说明。
[0038] Ni是使热膨胀系数降低的必需元素。Ni量不论过多还是过少热膨胀系数都不会 变得充分小。另外，若Ni量过多则难以通过冷却而使马氏体相变发生。考虑到以上情况， Ni量规定为27~35%的范围。
[0039] Ni以外的元素不是必需的添加元素，但能够根据需要如下述那样添加。
[0040] Co通过与Ni的组合有助于降低热膨胀系数。为了得到所希望的热膨胀系数，Co 的范围规定为0. 1~18%，优选为2.0~8.0%。
[0041] Μη作为脱氧材料而被添加。另外，通过固溶强化也有助于提高强度。为了得到该 效果，Μη量优选为0. 1%以上。即使Μη的含量超过0.5%效果也饱和，成本变高，因此Μη量 规定为0.5%以下，优选为0.3%以下。
[0042] C在奥氏体中固溶有助于强度的上升。另外，与Ti结合形成TiC，使强度提高。当 C的含量变多时，热膨胀系数变大，延展性降低，因此含量规定为0. 2 %以下，优选为0. 1 % 以下。
[0043]Si作为脱氧材料而被添加。当Si量超过0.3%时热膨胀系数增加，因此Si量规 定为0. 3%以下，优选为0. 2%以下。为了提高熔液的流动性，Si优选含有0. 1 %以上。
[0044]S可以以提高被切削性为目的而含有。但是，形成FeS，在晶界结晶析出而成为热 脆性的原因，因此S的含量规定为0. 05%以下。
[0045]Se可以以提高被切削性为目的而含有。即使超过0. 05%地含有其效果也饱和，因 此Se的含量规定为0. 05%以下。
[0046] Nb、Ti作为使凝固核生成的接种材料而被添加。通过添加Nb、Ti，在熔液内生成 NbC、TiN，以该碳化物、氮化物为凝固核，容易形成微细的等轴晶，并容易得到本发明所希望 的结晶取向。另外，这些元素也是提高硬度、抗拉强度的元素。当Nb、Ti的含量变多时韧性 显著劣化，因此含量分别规定为0. 5%以下。
[0047] A1出于脱氧的目的而被添加。另外，具有与S、Mg-起抑制强度的降低的效果。 当A1的含量变多时，会大量地形成夹杂物，大量地产生铸造缺陷，因此含量规定为0. 1 %以 下。
[0048] B是抑制粗大的共晶碳化物的形成、并提高硬度、抗拉强度的元素。另外，生成硼化 物从而也具有作为接种材料的效果。但是，当B的含量超过0. 05%时，向晶界的偏析变得显 著，韧性降低。因此，B的含量规定为0. 05%以下。
[0049] Mg通过与S结合具有提高热延展性的功能。而且，Mg氧化物或者Mg蒸气也具有 作为接种材料的效果。当Mg的含量超过0. 1%时，熔液的粘性提高，另外，有可能产生铸造 缺陷，因此Mg的含量规定为0. 1 %以下。
[0050] Ce、La是抑制由硫化物导致的韧性的降低的元素。当Ce、La的含量超过0. 1 %时 效果饱和，因此Ce、La的含量合计规定为0. 1 %以下。
[0051] 成分组成的余量为Fe以及不可避免的杂质。所谓不可避免的杂质，是指在工业性 地制造具有本发明中规定的成分组成的钢时从原料、制造环境等不可避免地混入的物质。
[0052] 本发明的铸件的组织是平均粒径为200μπι以下的奥氏体组织。组织以具有各种 各样的