JP2004160465A - 鋳型底面に冷却板が密着した一体型鋳型およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型およびその製造方法を提供する。
【解決手段】鋳型１とこの鋳型底面９に密着した冷却板４とで構成された一体型鋳型１４であって、前記冷却板４の鋳型底面９に対する密着面は鋳型底面と完全に接触する鋳肌面であり、冷却板材料の溶湯を鋳型の鋳型底面に直接接するように鋳込むことにより製造する。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型およびその製造方法に関するものであり、この一体型鋳型は、特に一方向凝固組織を有する鋳造体などを効率よく製造する際に使用するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、一方向凝固により鋳造体を得る方法として、ブリッジマン法が知られている。この方法は、金属溶湯を充填した鋳型を高温の加熱炉内から引き出すことにより鋳型内に充填された金属溶湯を鋳型底部から徐々に冷却しながら最終的に鋳型上部まで冷却する方法である。
しかし、このブリッジマン法は金属溶湯を充填した重い鋳型を加熱炉内から徐々に引き下げるために、大型の油圧装置を必要とし、装置も大型化してコストがかかる。
そのために、近年、金属溶湯を充填した鋳型を加熱炉内に設置し、加熱炉の胴部内部に設置されたヒータを電気的に制御することにより鋳型底部から上部に向かって高温となるように温度勾配を形成し、それによって鋳型に注入された溶湯を鋳型の底部から凝固させ、最終的に溶湯の最上部を凝固させることにより一方向凝固組織を形成する方法が提案されている。
【０００３】
この新しく提案された方法で一方向凝固組織を有する鋳造体を製造するための具体的な装置が図８の断面説明図に示されている。この装置は、鋳型１の底部から上部に向かって高温となるように温度勾配を形成することができるヒータ３が加熱炉２の胴部内部に設けられており、そのヒータ３は図８に示されるように例えば加熱体Ａ〜Ｃで構成されている。そして一方向凝固組織を有する鋳造体５を製造するには加熱体Ａを最も高温になるように制御し、加熱体Ｃが最も低温になるように制御し、加熱体Ａ〜Ｃの温度をそれぞれＴ_Ａ、Ｔ_Ｂ、Ｔ_Ｃとすると、加熱体に対する通電量を段階的または連続的に減少させることにより加熱体の温度を段階的または連続的に下げてＴ_Ａ＞Ｔ_Ｂ＞Ｔ_Ｃとなるように制御し、それによって鋳型底面から上に向かって高温となるように温度勾配が付けられるように制御する。また加熱体Ａ〜Ｃの温度：Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂ、Ｔ_Ｃをそれぞれ均一とし、加熱体Ａ〜Ｃの電源をＣ、Ｂ、Ａの順に切ることにより温度勾配を形成しても良い。
このように加熱炉２のヒータ３の加熱体Ａ〜Ｃに温度勾配が付くように供給電力を制御し、このように加熱された鋳型１に溶湯を注入すると、鋳型１に注入された溶湯は鋳型１の下端から上端に向かって凝固し、それによって一方向凝固組織を有する鋳造体５が得られる。この発明の方法によると、従来のブリッジマン法のように、鋳型を加熱炉から抜き出す操作を行なう必要はなく、したがって溶湯に振動を与えることがなく、また鋳込んだままの状態で良好な一方向凝固組織を得ることができる（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４７３５６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、これら一方向凝固方法は特に高純度銅ターゲットを製造するための純度：９９．９９９９重量％以上の高純度銅鋳造体を製造するために適用されるようになってきた。この高純度銅ターゲットはコスト低下のために一層直径の大きな高純度銅ターゲットが求められており、したがって、一層直径の大きな高純度銅ターゲットを作るために一方向凝固組織を有する直径のより大きな大型の高純度銅鋳造体の製造が求められている。
しかし、この方法によると、鋳型に充填された溶湯は、まず、冷却板により冷却されることになるが、一般に、鋳型の底面は平滑でなく、鋳型を冷却板の上に載置しても鋳型と冷却板の間に隙間が発生することは避けられず、接触が不十分であると冷却板による冷却が鋳型の底面に十分に伝達されないことがあり、冷却が不十分であると、一方向凝固結晶粒の核となる微細結晶粒の発生が遅れたり、または一方向凝固に必要な温度勾配が得られないために粗大な等軸晶や凝固欠陥が発生するなどして品質の悪い一方向凝固組織が形成されるという課題があった。冷却板による鋳型内溶湯の冷却効率を高めるために、冷却板を鋳型の内面に来るように設置し、溶湯を鋳型に鋳込んだ時に溶湯が冷却板に直接接するように鋳造し、溶湯の冷却が直接冷却板により成されて冷却効率を向上させる方法も知られているが、この方法によると、溶湯が冷却板に直接接するために溶湯が汚染されやすく、純度：９９．９９９９重量％以上の高純度銅鋳造体を製造するには適当でない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、鋳型と冷却板の接触性を改善して熱伝達効率を改善し、冷却板による鋳型内溶湯の冷却を効率良く行なうことにより大型でかつ一方向凝固組織を有する純度：９９．９９９９重量％以上の高純度銅鋳造体を製造べく研究を行なった。その結果、
（イ）銅または銅合金の溶湯をカーボン製鋳型の鋳型底面に直接接するように鋳込むことにより作製した銅または銅合金製冷却板は、鋳型底面に対する冷却板の密着面が鋳肌面であるために鋳型底面と完全に接触しており、そのために冷却板による鋳型底面の冷却を効率よく行うことができる、
（ロ）カーボン製鋳型と銅または銅合金製冷却板とは非金属と金属で全く反応しないものであって、しかも濡れ性が悪いところから、完全に接触しても密着強度は依然として低いが、鋳型の鋳型底面に溝もしくは穴または突起を設けると、鋳型の鋳型底面に対する冷却板の密着強度が一層向上する、などの知見を得たのである。
【０００７】
この発明は、かかる知見に基づいて成されたものであって、
（１）鋳型とこの鋳型底面に密着した冷却板とで構成された一体型鋳型であって、前記冷却板の鋳型底面に対する密着面は鋳型底面と完全に接触する鋳肌面である鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型、
（２）前記鋳型底面には、溝および穴の内の少なくともいずれか一方が形成されている（１）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型、
（３）前記鋳型底面には、突起が形成されている（１）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型、
（４）前記鋳型は、カーボン製鋳型である（１）、（２）または（３）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型、
（５）前記鋳造体冷却板は、銅または銅合金製冷却板である（１）、（２）または（３）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型、
（６）冷却板材料の溶湯を鋳型の鋳型底面に直接接するように鋳込む（１）記載の鋳型底面に冷却板が密着した一体型鋳型の製造方法、
（７）前記鋳型の鋳型底面には、溝および穴の内の少なくともいずれか一方が形成されている（６）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法、
（８）前記鋳型の鋳型底面には、突起が形成されている（６）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法、
（９）前記鋳型は、カーボン製鋳型である（６）、（７）または（８）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法、
（１０）前記冷却材料の溶湯は、銅または銅合金溶湯である（６）、（７）または（８）記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法、に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型およびその製造方法について、図面に基づいて一層具体的に説明する。
図１の断面図に示されるように、カーボン製鋳型１を用意し、このカーボン製鋳型１を台７の上に被せるようにして置き、さらに前記カーボン製鋳型１の周囲を囲む枠型８をカーボン製鋳型１の底面９から突出するように嵌め込んで空間１１を形成し、カーボン製鋳型１の底面９と枠型８とで形成された空間１１に、図２の断面図に示されるように、中子１０を設置し、この中子１０を設置した空間１１に図３の断面図に示されるように銅または銅合金溶湯１２を鋳込む。
【０００９】
鋳込まれた銅または銅合金溶湯の凝固が完了する前に、図４の断面図に示されるように、鋳込まれた銅または銅合金溶湯１２の上に保温鋳型１３を落とし込み、それにより引け巣の発生を防止することが一層好ましい。図４に示される状態で放冷することにより銅または銅合金溶湯１２の凝固を完了させ、銅または銅合金溶湯１２の凝固が完了したのち枠型８を取り外し、さらに中子１０を除去すると、図５の断面図に示されるような銅または銅合金からなる冷却板４がカーボン製鋳型１の底面９に密着したこの発明の一体型鋳型１４が得られる。
このようにして得られた一体型鋳型１４における銅または銅合金製冷却板４は、カーボン製鋳型１の底面９に銅または銅合金溶湯を直接接するように鋳込んで製造するために、銅または銅合金製冷却板４のカーボン製鋳型１の鋳型底面９に対する密着面は鋳型底面９に対して完全に接触している鋳肌面を有している。一体型鋳型１４を構成する銅または銅合金製冷却板４は、カーボン製鋳型１の鋳型底面９に完全に接触する鋳肌を有するために、カーボン製鋳型１を冷却板４によって冷却させる際の冷却効率は、従来の冷却板の上にカーボン製鋳型を載置する方法よりも格段に向上する。
カーボン製鋳型１と銅または銅合金製冷却板４とは非金属と金属で全く反応しないものであって、しかも濡れ性が悪いところから、完全に密着性しても密着強度は依然として低い。そのために、カーボン製鋳型１の鋳型底面９に、図６に示されるように、溝または穴１５を設けてもよく、または図７に示されるように、突起１６を設けるとよい。この溝もしくは穴１５、または突起１６を設けると、カーボン製鋳型１の鋳型底面に対する冷却板４の密着強度は一層向上する。
なお、鋳型底面に空洞を有する冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法について説明したが、この発明の一体型鋳型の底面に密着している冷却板は、空洞のない冷却板であっても良く、さらにこの空洞のない冷却板に溶接などにより空洞を有する冷却板を形成しても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施例１
外径：２００ｍｍ、内径：１８０ｍｍ、高さ：５００ｍｍの寸法を有する黒鉛製鋳型を用意し、この黒鉛製鋳型の底面に図１〜４に示した方法で純銅製冷却板を密着させた一体型鋳型を作製し、冷却板の空洞に冷却水を流すことにより黒鉛製鋳型の底面を冷却した。
一方、温度：１２００℃、純度：９９．９９９９％を有する高純度銅溶湯を用意し、この高純度銅溶湯を前記一体型鋳型の黒鉛製鋳型に厚さ：３００ｍｍになるまで注入し、完全に凝固するまでの凝固時間を測定した結果、凝固時間は９５０秒であり、冷却板から黒鉛製鋳型への熱伝達率は０．１５ｃａｌ／℃・ｓｅｃ・ｃｍ^２であった。
【００１１】
従来例１
比較のために、実施例１で用意した黒鉛鋳型を用意し、さらに図８に示される通常の純銅製冷却板を別々に用意し、この黒鉛鋳型を純銅製冷却板の上に置き、実施例１で用意した高純度銅溶湯を黒鉛製鋳型に厚さ：３００ｍｍになるまで注入し、完全に凝固するまでの凝固時間を測定した結果、凝固時間は１６００秒であり、冷却板から黒鉛製鋳型への熱伝達率は０．０１ｃａｌ／℃・ｓｅｃ・ｃｍ^２であった。
【００１２】
【発明の効果】
この発明の一体型鋳型を使用すると、冷却板から鋳型への熱伝達効率が格段に向上し、全体に均一な一方向凝固組織を有する鋳造体を一層簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一体型鋳型の製造方法を説明するための断面概略説明図である。
【図２】この発明の一体型鋳型の製造方法を説明するための断面概略説明図である。
【図３】この発明の一体型鋳型の製造方法を説明するための断面概略説明図である。
【図４】この発明の一体型鋳型の製造方法を説明するための断面概略説明図である。
【図５】この発明の一体型鋳型の断面概略説明図である。
【図６】この発明の一体型鋳型の断面概略説明図である。
【図７】この発明の一体型鋳型の断面概略説明図である。
【図８】従来の一方向凝固組織を有する鋳造体の製造装置を示す断面概略説明図である。
【符号の説明】
１ 鋳型
２ 加熱炉
３ ヒータ
４ 冷却板
５ 鋳造体
６ 空洞
７ 台
８ 型枠
９ 底面
１０ 中子
１１ 空間
１２ 溶湯
１３ 保温鋳型
１４ 一体型鋳型
１５ 溝または穴
１６ 突起

Claims (10)

1. 鋳型とこの鋳型底面に密着した冷却板とで構成された一体型鋳型であって、前記冷却板の鋳型底面に対する密着面は鋳型底面と完全に接触する鋳肌面であることを特徴とする鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型。
2. 前記鋳型底面には、溝および穴の内の少なくともいずれか一方が形成されていることを特徴とする請求項１記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型。
3. 前記鋳型底面には、突起が形成されていることを特徴とする請求項１記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型。
4. 前記鋳型は、カーボン製鋳型であることを特徴とする請求項１、２または３記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型。
5. 前記冷却板は、銅または銅合金製冷却板であることを特徴とする請求項１、２または３記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型。
6. 冷却板材料の溶湯を鋳型の鋳型底面に直接接するように鋳込むことを特徴とする請求項１記載の鋳型底面に冷却板が密着した一体型鋳型の製造方法。
7. 前記鋳型の鋳型底面には、溝および穴の内の少なくともいずれか一方が形成されていることを特徴とする請求項６記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法。
8. 前記鋳型の鋳型底面には、突起が形成されていることを特徴とする請求項６記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法。
9. 前記鋳型は、カーボン製鋳型であることを特徴とする請求項６、７または８記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法。
10. 前記冷却板材料の溶湯は、銅または銅合金溶湯であることを特徴とする請求項６、７または８記載の鋳型底面に冷却板が密着している一体型鋳型の製造方法。

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