CN113458352A - Cu-Ni-Sn合金的制造方法及用于其的冷却器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Cu‑Ni‑Sn合金的制造方法以及用于其的冷却器，通过在缩短铸块的冷却时间的同时减少内部裂纹，从而兼顾生产率和品质。一种Cu‑Ni‑Sn合金的制造方法，其为利用连续铸造法或半连续铸造法的Cu‑Ni‑Sn合金的制造方法，包括：使熔融的Cu‑Ni‑Sn合金从两端开放的铸模的一端流入，一边使该合金的铸模附近的部分凝固，一边作为铸块从铸模的另一端连续地抽出的工序；以及通过向抽出的铸块吹送雾状的液体来进行冷却，制成Cu‑Ni‑Sn合金的铸造品的工序。
Description
技术领域
本发明涉及Cu-Ni-Sn合金的制造方法及用于其的冷却器。
背景技术
以往，Cu-Ni-Sn合金等铜合金通过连续铸造法、半连续铸造法制造。连续铸造法与半连续铸造法同样，为主要的铸造方法之一，其将熔融的金属浇注到水冷铸模中，使其连续地凝固，从而作为一定形状(矩形、圆形等)的铸块而抽出，向下方抽出的情况较多。该方法由于完全连续地生产铸块，因此在大量生产一定成分、品质及形状的铸块方面优异，但是，不适于多品种的生产。另一方面，半连续铸造法是限定了铸块长度的分批式的铸造方法，能够将品种和形状尺寸多种多样地变更。另外，近年来，使用大型的无芯炉，能够实现铸块截面的大型化、长条化、以及一次铸造多根数，因此能够具有与连续铸造法相当的生产率。
例如，在专利文献1(日本特开2007-169741号公报)中，公开了在制造铜合金时，利用无芯炉对规定的化学成分组成的铜合金进行熔炼后，利用半连续铸造法进行铸锭，得到铸块。然后，对得到的铸块进行冷却，供于轧制等规定的工序，由此得到目标合金。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-169741号公报
发明内容
然而，在铸造工序中对使熔融金属凝固而得到的铸块进行冷却时，其冷却速度对最终得到的合金的生产率、品质造成影响。例如，若冷却速度快，则在铸块中产生内部裂纹，所得到的合金的品质差。另一方面，若冷却速度慢，则虽然能够抑制铸块的内部裂纹，但冷却花费时间，所得到的合金的生产率变差。因此，在合金的制造中，合金的生产率和品质具有此消彼长的关系，期望兼顾两者。
特别是，对于含有低熔点的Sn的铜合金(Cu-Ni-Sn合金等)，在制成铸块的情况下，在其外侧和内侧，凝固过程中的内部应力变大。例如，在通过作为以往进行的冷却方法的水冷喷淋、在水槽中浸渍等来对铸块进行冷却的情况下，冷却速度过快，铸块容易产生内部裂纹。为了抑制内部裂纹的产生，即使例如进行空冷而减慢冷却速度，冷却有时也需要12小时以上，生产率显著差。
另外，作为Cu-Ni-Sn合金，已知有在UNS：C72900中规定的Cu-15Ni-8Sn合金、在UNS：C72700中规定的Cu-9Ni-6Sn合金、以及在UNS：C72950中规定的Cu-21Ni-5Sn合金等。如上所述，含有低熔点的Sn的铜合金容易产生内部裂纹，其中，在制造Sn含量多的Cu-15Ni-8Sn合金的情况下，对于所得到的合金的生产率、品质，由铸块的冷却速度带来的影响特别大。这样，在Cu-Ni-Sn合金的制造中，期望通过适当地选择铸块的冷却条件来兼顾生产率和品质。
此次，本发明人等得到了如下见解：通过采用向铸块吹送雾状的液体的喷雾冷却，能够提供在缩短铸块的冷却时间的同时减少内部裂纹、兼顾生产率和品质的Cu-Ni-Sn合金的制造方法。
因此，本发明的目的在于提供一种Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其通过在缩短铸块的冷却时间的同时减少内部裂纹，从而兼顾生产率和品质。
根据本发明的一个方式，提供一种Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其为基于连续铸造法或半连续铸造法的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，包括：
使熔融的Cu-Ni-Sn合金从两端开放的铸模的一端流入，一边使该合金的所述铸模附近的部分凝固，一边作为铸块从所述铸模的另一端连续地抽出的工序，以及
通过向所述抽出的铸块吹送雾状的液体来进行冷却，从而制成Cu-Ni-Sn合金的铸造品的工序。
根据本发明的另一方式，提供一种冷却器，其是在连续铸造法或半连续铸造法中使用的冷却器，具备：
圆筒状主体，
液体供给部，其设置于所述圆筒状主体的上部，且以使液体向下方滴落的方式构成，以及
空气喷射部，其设置于所述液体供给部的下方，朝向所述圆筒状主体的中心轴喷射空气。
附图说明
图1是包含在本发明的制造方法中使用的铸模和冷却器的制造装置的剖视图。
图2是表示在例1～3中得到的、从Cu-Ni-Sn合金的铸造品切割出的样品的切割面(顶面和底面)的照片。
图3是表示在例1～3中得到的、与从铸造品切割出的样品的切割面垂直的截面中存在的枝晶的照片。
具体实施方式
本发明的制造方法是基于连续铸造法或半连续铸造法的Cu-Ni-Sn合金的制造方法。通过本发明的方法制造的Cu-Ni-Sn合金优选为含有Cu、Ni和Sn的旋节合金。该旋节合金优选含有Ni：8～22重量％和Sn：4～10重量％，余量为Cu和不可避免的杂质，更优选含有Ni：14～16重量％和Sn：7～9重量％，余量为Cu和不可避免的杂质，进一步优选含有Ni：14.5～15.5重量％和Sn：7.5～8.5重量％，余量为Cu和不可避免的杂质。作为这样的Cu-Ni-Sn合金，可优选例示在UNS：C72900中规定的Cu-15Ni-8Sn合金。像这样，在制造含有低熔点的Sn的铜合金的情况下，在铸块的冷却工序中容易产生内部裂纹，但根据本发明的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，能够在缩短铸块的冷却时间的同时减少内部裂纹，能够兼顾生产率和品质。
本发明的Cu-Ni-Sn合金的制造方法包括(1)熔化铸造工序和(2)冷却工序。在熔化铸造工序中，使熔融的Cu-Ni-Sn合金从两端开放的铸模的一端流入，一边使该合金的铸模附近的部分凝固，一边作为铸块从铸模的另一端连续地抽出。在后续的冷却工序中，通过向抽出的铸块吹送雾状的液体来进行冷却，从而制成Cu-Ni-Sn合金的铸造品。这样，通过对熔化铸造而得到的铸块吹送雾状的液体来进行冷却、即喷雾冷却，能够在缩短铸块的冷却时间的同时减少内部裂纹，制造兼顾生产率和品质的Cu-Ni-Sn合金。
如上所述，在含有低熔点的Sn的铜合金的制造中，铸块的冷却速度对所得到的合金的生产率和品质造成影响，因此，难以兼顾生产率和品质，但根据本发明的方法，具有如下优点：能够在缩短铸块的冷却时间的同时减少内部裂纹，能够制造兼顾了生产率和品质的Cu-Ni-Sn合金。
图1表示本发明的制造方法的一例中的制造装置及铸块的剖视图。以下，参照图1对上述工序进行说明。
(1)熔化铸造工序
首先，使熔融的Cu-Ni-Sn合金从两端开放的铸模12的一端(例如通过石墨喷嘴14)流入，一边使该合金的铸模12附近的部分凝固，一边作为铸块16从铸模12的另一端连续地抽出。熔融的Cu-Ni-Sn合金的温度优选为1200～1400℃，更优选为1250～1350℃、进一步优选为1300～1350℃。
铸模12只要使用在铜合金的铸造中使用的一般的铸模即可，没有特别限定，优选为铜制的铸模。优选水等冷却介质在铸模12的内部循环。由此，能够使熔融的高温的Cu-Ni-Sn合金迅速地从表层凝固，同时作为铸块16从铸模12的另一端连续地抽出。
熔化铸造工序优选通过可工业利用的方法进行氧化抑制。例如，为了抑制铸块16的氧化，优选在氮、Ar、真空等非活性气氛下进行。
也可以在将Cu-Ni-Sn合金熔化后且铸造前，进行炉渣处理、成分分析等用于得到所希望的Cu-Ni-Sn合金的前处理。例如，也可以将Cu-Ni-Sn合金在1300～1400℃熔化，通过搅拌15～30分钟使成分均匀化，进行炉渣处理之后，进行铸造。另外，也可以在炉渣处理后，采集Cu-Ni-Sn合金的一部分作为成分分析用试样，测定成分值。根据该测定结果，在偏离目标成分值的情况下，也可以再次追加Cu-Ni-Sn合金，以成为目标成分值的方式进行调整。
(2)冷却工序
通过向从铸模12的另一端抽出的铸块16吹送雾状的液体来进行冷却(即喷雾冷却)，制成Cu-Ni-Sn合金的铸造品。通过进行喷雾冷却，能够在缩短铸块16的冷却时间的同时减少内部裂纹，得到兼顾了生产率和品质的Cu-Ni-Sn合金。即，作为含有Cu、Ni和Sn的铸块16的以往的冷却方法的例子，可列举直接施加空气吹淋、喷淋状的液体；直接浸渍于液体中等，但在这些方法中，难以在缩短铸块16的冷却时间的同时减少内部裂纹，但根据本发明的制造方法涉及的喷雾冷却，能够在缩短铸块16的冷却时间的同时减少内部裂纹。
在冷却工序中，液体只要能够作为水、油等冷却介质使用，就没有特别限定，从处理容易性、制造成本的观点出发，优选为水。此外，从调整冷却速度的观点出发，可以使用油作为冷却介质。
通过了铸模12的铸块16优选在铸造结束后2小时以内被冷却至50℃以下，更优选在铸造结束后1小时以内被冷却至100℃以下，进一步优选在铸造结束后0.5小时以内被冷却至500℃以下。这样，通过在短时间内冷却铸块16，能够缩短基于连续铸造法以及半连续铸造法的铸造周期，能够提高生产率。
在冷却工序中，优选通过使铸块16穿过配置于铸模12的正下方的冷却器18来进行冷却。由此，在从铸模12的另一端刚抽出铸块16之后进行喷雾冷却，不仅铸块16的表层不破裂，内部也能够不破裂地迅速冷却。另外，在将铸块16从铸模12的另一端抽出并使其通过冷却器18而下降时，也可以一边利用承受台(未图示)支撑铸块16，一边使其下降。优选铸块16被承受台支撑，承受台以25～40mm/分钟的速度下降，更优选以25～35mm/分钟的速度下降，进一步优选以25～30mm/分钟的速度下降。
优选的冷却器18具备圆筒状主体18a、液体供给部18b和空气喷射部18c。液体供给部18b设置在圆筒状主体18a的上部，以使液体W向下方滴落的方式构成，另一方面，空气喷射部18c设置在液体供给部18b的下方，以朝向圆筒状主体18a的中心轴喷射空气A的方式构成。根据该结构，能够将从液体供给部18b滴落的液体W与空气A混合，形成雾状的液体(即喷雾)，并将其喷射到位于圆筒状主体18a的内侧的铸块16。而且，能够缩短基于喷雾冷却的铸块16的冷却时间以及抑制内部裂纹，能够兼顾Cu-Ni-Sn合金的生产率和品质。另外，由于滴落的液体W中含有碳等杂质，因此为了不堵塞喷射空气A的喷嘴(也称为孔)，希望调节喷嘴的口径。喷嘴的口径优选为直径2～5mm、更优选为3～4mm。从液体供给部18b滴落的液体W的流速优选为7～13L/min，更优选为9～11L/min。从空气喷射部18c喷射的空气A的压力优选为2.0～4.0MPa，更优选为2.7～3.3MPa。
冷却器18优选以向下方滴落的液体W不与铸块16直接接触而与空气A混合的方式构成。由此，能够避免滴落的液体W直接与铸块16接触而发生局部急冷，能够对铸块16的整体均匀地进行喷雾冷却，能够进一步抑制内部裂纹的产生。另外，冷却器18优选以从液体供给部18b滴落的液体W的位置为比空气喷射部18c的位置更靠近圆筒状主体18a的位置的方式构成。由此，在液体W从液体供给部18b滴落时，空气喷射部18c的空气A恰好吹送，能够高效地产生雾状的液体(即喷雾)。
另外，冷却器18的空气喷射部18c优选以空气A向斜下方喷射的方式构成。若来自液体供给部18b的液体W的势头较弱，则液体W因重力而向下方滴落，液体W作为雾状的液体而接触铸块的位置降低，冷却速度产生不均。但是，通过以向斜下方喷射空气A的方式构成，能够因液体W的势头(液体量)而使液体W接触铸块的位置不产生差异，从而使冷却速度均匀。
实施例
通过以下的例子进一步具体地说明本发明。
例1(比较)
作为Cu-Ni-Sn合金，通过以下的步骤制作UNS：C72900所规定的Cu-15Ni-8Sn合金，并进行评价。
(1)称量
以成为目标组成的方式称量作为Cu-Ni-Sn合金的原料的纯Cu熔核、Ni基体、Sn基体、电气锰以及Cu-Ni-Sn合金废料。即，称量163kg的Cu、30kg的Ni、15kg的Sn和1450kg的Cu-Ni-Sn合金废料，进行混合，由此进行调合。
(2)熔化及炉渣处理
将称量的Cu-Ni-Sn合金的原料在大气用高频熔融炉中在1200～1400℃熔化，搅拌30分钟，由此使成分均匀化。熔化结束后，进行炉渣刮取和炉渣捞起。
(3)成分分析(铸造前)
采集通过熔化和炉渣处理而得到的Cu-Ni-Sn合金的一部分作为成分分析用试样，测定其成分值。其结果，成分分析用试样含有Ni：14.9重量％和Sn：8.0重量％，余量为Cu和不可避免的杂质。该组成满足UNS：C72900所规定的Cu-15Ni-8Sn合金的条件。
(4)半连续铸造
将通过熔化和炉渣处理而得到的Cu-Ni-Sn合金的熔融金属在1250～1300℃流出，如图1中示意性所示，通过石墨喷嘴14流入两端开放的铸模12的一端。此时，通过使水在铸模12的内部循环，从而使流入的熔融金属在从铸模12的一端到通过另一端为止凝固而制成铸块16。此时，主要是铸块16的表层凝固。
(5)冷却(水冷(浸渍冷却))
通过设置于铸模12的正下方的冷却器18对表层凝固了的铸块16吹送液态的水后，浸渍于水槽。需要说明的是，此时未从空气喷射部18c吹入空气A。通过这样的冷却方法，在上述(4)的半连续铸造后，将铸块16在2小时以内冷却至50℃以下。
(6)铸造品的取出
将通过水冷得到的铸块16在其温度低于50℃后取出，得到作为铸造品的Cu-Ni-Sn合金。铸造品的尺寸为直径320mm×长度2m。
(7)各种评价
对得到的铸块和铸造品进行以下的评价。
＜内部裂纹的确认＞
如图2所示，为了确认铸造品的内部裂纹，从在铸造品的长度方向上距顶面250mm的位置、以及距底面150mm的位置分别切出直径320mm×厚度10mm的圆板状样品，对其两面进行目视观察和红液渗透探伤法(red chack)。表示样品的顶面(图中标记为“顶(Top)侧”)和底面(图中标记为“底(Bottom)侧”)的照片。
＜2次DAS测定＞
通过对上述样品进行2次DAS(2次枝晶臂间距)测定，推定至熔化的Cu-Ni-Sn合金凝固而成为铸块为止的冷却速度。首先，在与样品的切割面1/2R位置垂直(铸造方向)的截面中，选择4根以上2次枝晶臂连续的枝晶。1/2R位置是指位于圆板状样品的切割面(圆)的中心与圆周的中央的位置(即，半径的1/2的位置)。接着，对于该枝晶，测定连续的4根以上2次枝晶臂的间隔。将其作为2次DAS。将在与样品的切割面垂直的截面的顶面(图中标记为“顶(Top)侧”)和底面(图中标记为“底(Bottom)侧”)确认到的枝晶和2次DAS的值示于表3中。
例2
代替上述(5)的水冷，如以下那样操作进行喷雾冷却，除此以外，与例1同样地进行试样的制作和评价。得到的铸造品的尺寸为直径320mm×长度2m。
(5’)冷却(喷雾冷却)
如图1示意性所示，对于凝固了的铸块16，一边通过设置于铸模12的正下方的冷却器18吹送雾状的水，一边连续地抽出。此时，从位于冷却器18的圆筒状主体18a的上部的水供给部18b滴落7～13L/min的水W，从作为空气喷射部18c而设置于冷却器18的圆筒状主体18a的下游的120个直径3.5mm的孔，以2.7～3.3MPa的压力吹入空气A，由此使滴落的水W雾化而形成雾状的水(即喷雾)，吹送到铸块16。另外，使铸块16一边用以25mm/min下降的承受台(未图示)承受一边下降。通过这样的冷却方法，在上述(4)的半连续铸造后，将铸块16在2小时以内冷却至50℃以下。
例3(比较)
代替上述(5)的喷雾冷却，如以下那样操作进行空冷，除此以外，与例1同样地进行试样的制作和评价。得到的铸造品的尺寸为直径320mm×长度2m。
(5”)冷却(空冷)
对于凝固了的铸块，一边通过设置于铸模的正下方的冷却器吹送空气，一边连续地抽出。此时，从设置于冷却器的圆筒状主体的120个直径3.5mm的孔吹入空气，另一方面，使铸块一边用以25mm/min下降的承受台承受一边下降。通过这样的冷却方法，在上述(4)的半连续铸造后，将铸块以12小时冷却至50℃。空冷的情况下，由于铸块的冷却速度慢，因此虽然难以产生内部裂纹，但冷却需要长时间，因此可以说生产率差。
在例1～3中，如图2所示，在冷却方法为水冷的例1中观察到内部裂纹，但在冷却方法为喷雾冷却的例2和为空冷的例3中没有观察到内部裂纹。另外，如图3所示，测定出的2次DAS在例1～3中为相同程度。由此，可推定熔化的Cu-Ni-Sn合金的凝固速度在例1(采用水冷)的铸块与例2(采用喷雾冷却)和例3(采用空冷)的铸块为相同程度。
Claims (11)
1.一种Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其为基于连续铸造法或半连续铸造法的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，包括：
使熔融的Cu-Ni-Sn合金从两端开放的铸模的一端流入，一边使该合金的所述铸模附近的部分凝固，一边作为铸块从所述铸模的另一端连续地抽出的工序，以及
通过向所述抽出的铸块吹送雾状的液体来进行冷却，制成Cu-Ni-Sn合金的铸造品的工序。
2.根据权利要求1所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述Cu-Ni-Sn合金是含有Ni：8～22重量％和Sn：4～10重量％，余量为Cu和不可避免的杂质的旋节合金。
3.根据权利要求1或2所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述Cu-Ni-Sn合金是含有Ni：14～16重量％和Sn：7～9重量％，余量为Cu和不可避免的杂质的旋节合金。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，通过了所述铸模的铸块在铸造结束后2小时以内被冷却至50℃以下。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述冷却通过使所述铸块穿过配置于所述铸模的正下方的冷却器来进行。
6.根据权利要求5所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述冷却器具备：
圆筒状主体，
液体供给部，其设置于所述圆筒状主体的上部，且以使液体向下方滴落的方式构成，以及
空气喷射部，其设置于所述液体供给部的下方，朝向所述圆筒状主体的中心轴喷射空气。
7.根据权利要求6所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述冷却器以向所述下方滴落的液体不与所述铸块直接接触，而与所述空气混合的方式构成。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述铸块由承受台支撑，所述承受台以25～40mm/分钟的速度下降。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的Cu-Ni-Sn合金的制造方法，其中，所述液体为水。
10.一种冷却器，其为在连续铸造法或半连续铸造法中使用的冷却器，具备：
圆筒状主体，
液体供给部，其设置于所述圆筒状主体的上部，以使液体向下方滴落的方式构成，以及
空气喷射部，其设置于所述液体供给部的下方，朝向所述圆筒状主体的中心轴喷射空气。
11.根据权利要求10所述的冷却器，其中，以从所述液体供给部滴落的所述液体的位置为比所述空气喷射部的位置更靠近所述圆筒状主体的位置的方式构成。
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