JP2010052025A - 銅合金の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造法により、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉなどを含む銅合金を表面割れなどの欠陥を生じさせることなく安定して製造することができる方法および装置を提供する。
【解決手段】両端を開口させた筒状の炭素材料からなる鋳型１２の一方の開口部よりＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉなどを含む銅合金の溶湯１０を注入し、他方の開口部より溶湯１０が凝固した鋳造物（鋳造ロッド）１６を引き抜いて銅合金を製造する方法および装置であって、鋳型１２は、溶湯注入側開口部を有する、少なくとも内周面がモリブデンまたはモリブデン基合金からなる第１の筒体２１と、この第１の筒体２１に直列にかつ軸心を一致させて配置された、少なくとも内周面が黒鉛からなる第２の筒体２２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、連続鋳造法によりジルコニウム（Ｚｒ）などを含む銅合金を製造する方法および装置に関する。

従来、銅や黄銅などの銅合金からなる線材を製造するにあたって、両端を開口した鋳型を用い、その一方の開口部から高温で溶解した金属（溶湯）を注入し、鋳型外周を冷却しながら鋳型内で溶融金属を凝固させ、鋳型の他方の開口部より連続的に引き出す連続鋳造法が広く用いられている。そして、この場合、鋳型には、耐熱性や熱伝導性が良好で、銅や黄銅成分に対する化学的安定性に優れ、さらに、自己潤滑性や加工性にも優れる黒鉛製の鋳型が一般に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、黒鉛製の鋳型は、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などを含む銅合金を製造する場合、それらの金属成分が鋳型を構成する炭素と反応してＺｒＣ、ＣｒＣ、ＴｉＣなどの高融点で安定した炭化物を生成し、鋳型の内面に付着する結果、鋳造された銅合金に表面割れなどの欠陥が生じたり、場合により鋳造ロッドが引出せず鋳造不能となる問題があった。
特開平１１−１４７１６２号公報

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたもので、連続鋳造法により、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などを含む銅合金を表面割れなどの欠陥を生じさせることなく安定して製造することができる方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載された発明は、両端を開口させた筒状の炭素材料からなる鋳型の一方の開口部より前記鋳型を構成する炭素と反応する金属を含有する銅合金の溶湯を注入し、他方の開口部より前記溶湯が凝固した鋳造物を引き抜く銅合金の製造方法であって、溶解または半凝固状態にある前記銅合金が接触する前記鋳型の内周面が、前記銅合金の金属成分と反応しない金属にて被覆されていることを特徴とする銅合金の製造方法である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の銅合金の製造方法において、前記内周面が、モリブデンまたはモリブデン基合金からなることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１記載の銅合金の製造方法において、前記鋳型は、溶解または半凝固状態にある前記銅合金が接触する前記鋳型の内周面が前記銅合金の金属成分と反応しない金属からなり、かつ前記溶湯の注入側開口部を有する第１の筒体と、この第１の筒体に直列にかつ軸心を一致させて配置された第２の筒体とを備えることを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項３記載の銅合金の製造方法において、第１の筒体は、少なくとも内周面がモリブデンまたはモリブデン基合金で形成されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の銅合金の製造方法において、溶湯は、ジルコニウム、クロムおよびチタンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とするものである。

また、請求項６に記載された発明は、両端を開口させた筒状の炭素材料からなる鋳型の一方の開口部より銅合金の溶湯を注入し、他方の開口部より前記溶湯が凝固した鋳造物を引き抜いて銅合金を製造する装置であって、前記鋳型の溶湯注入側内周面がモリブデンまたはモリブデン基合金で被覆されていることを特徴とする銅合金の製造装置である。

本発明によれば、連続鋳造法により、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などを含む銅合金を表面割れなどの欠陥を生じさせることなく安定して製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、厚みと長さの関係などは実際のものとは異なることに留意すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に使用される連続鋳造装置の構成を概略的に示す断面図であり、また、図２は、図１の連続鋳造装置に使用されている鋳型を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態で使用される連続鋳造装置は、銅合金の溶湯１０を収容する黒鉛製の坩堝（るつぼ）１１と、この坩堝１１の下部に取り付けられた筒状の鋳型１２と、この鋳型１２の外周に嵌挿された、内部に冷却水の通路を有する水冷ジャケット１３と、鋳型１２を水冷ジャケット１３とともに保持する鋳型ホルダー１４を備えている。水冷ジャケット１３と坩堝１１の間には、水冷ジャケット１３を坩堝１１から所定距離離間させて保持するため、すなわち、溶湯１０が鋳型１２の入り口部分で凝固してしまうのを防止するため、セラミックなどの断熱材料からなるスペーサ１５が配置されている。

鋳型１２は、図２に拡大して示すように、３分割構造とされ、坩堝１１側（溶湯注入側）端部を形成する第１の筒体２１と、中間部を形成する第２の筒体２２と、鋳造物引き抜き側端部を形成する第３の筒体２３とから構成されている。第１の筒体２１の一端には、坩堝１１に取り付けるためのフランジ部２１ａが設けられている。

そして、第１〜第３の筒体２１〜２３のうち、鋳造物引き抜き側の第２の筒体２２および第３の筒体２３は、銅（Ｃｕ）と化学的に反応せず、熱伝導性が良好で自己潤滑性にも優れる黒鉛で形成されている。一方、坩堝１１側（溶湯注入側）の第１の筒体２１は、銅（Ｃｕ）とも、銅合金中に含まれる他の金属、例えばジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などとも反応しない金属または合金で構成されている。第１の筒体２１は、モリブデン（Ｍｏ）、またはモリブデン（Ｍｏ）に、例えばベリリウム（Ｂｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、珪素（Ｓｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）などの１種以上が添加された合金で構成されていることが好ましい。

なお、第１〜第３の筒体２１〜２３は、それぞれさらに複数に分割されていてもよく、あるいは、第２および第３の筒体２２、２３を一体化して１つの筒体としてもよい。製造や組み立ての容易さなどの観点からは、鋳型１２は２〜５分割構造であることが好ましく２または３分割構造であることより好ましい。

このような連続鋳造装置において、坩堝１１から鋳型１２に注入された銅合金からなる溶湯１０は、第１の筒体２１、第２の筒体２２および第３の筒体２３を順に通過する間に、水冷ジャケット１３内を流れる冷却水によって冷却されて、その外周部から徐々に凝固し、全体が凝固または略凝固したところでピンチロール（図示なし）などにより鋳造ロッド（鋳造物）１６として外部に引き出される。

本実施形態においては、溶湯１０が注入される第１の筒体２１が、銅（Ｃｕ）のみならず、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などの銅合金中に含まれる他の金属とも反応しない、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン基合金などの金属または合金で形成されており、また、それに続いて導入される第２の筒体２１および第３の筒体２２が、銅（Ｃｕ）と反応せず、かつ熱伝導性が良好で自己潤滑性にも優れる黒鉛で形成されている。このため、溶湯１０にジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などが含まれていても、これらの金属成分が鋳型材料と反応して鋳造に支障をきたすような化合物（例えば、ＺｒＣ、ＣｒＣ、ＴｉＣなど）を形成する恐れは少なく、表面欠陥のない（もしくは少ない）品質の良い鋳造ロッド１６を鋳造することができる。

すなわち、溶湯１０中に含まれる成分と鋳型材料が反応するのは、溶湯１０の外周部が凝固する前、つまり金属が溶解または半凝固状態にあるときであり、特に坩堝１１に近い、接する溶湯１０の温度が高い部分で反応しやすい。本実施形態においては、このような溶湯中に含まれる成分と鋳型材料が反応しやすい部分が、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン基合金で形成されているため、そのような反応を抑制し、鋳造に支障をきたすような反応物の生成を抑制することができる。そして、このような反応が生じやすい部分を経た後は、熱伝導性が良好で自己潤滑性にも優れる黒鉛からなる部分を通過するため、溶湯１０は内部まで速やかに凝固し、鋳造ロッド１６として円滑に外部に引き出される。

このようにして得られた鋳造ロッド１６は、その後、伸線加工、熱間鍛造などの加工が施され、最終的に、例えば高強度・高導電性線材、導電用ばね材、コネクタなどの製品に加工される。

なお、上記のように溶湯１０中に含まれる成分と鋳型材料が反応するのは、金属が溶解または半凝固状態にあるときであるため、溶湯１０の外周部がそのような状態にある間は、第１の筒体２１内に存在するようにすることが好ましい。換言すると、内周面が溶湯１０と接触している部分、より好ましくは、さらに内周面が半凝固状態の溶湯１０と接している部分も、第１の筒体２１で構成されるようにすることが好ましい。

上記実施形態においては、第１の筒体２１の全体が、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン基合金などの、銅とも銅合金中に含まれる他の金属とも反応しない金属または合金で形成されているが、例えば図３に示すように、第１の筒体２１を、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン基合金などの、銅とも銅合金中に含まれる他の金属とも反応しない金属または合金で形成された内筒３１と、黒鉛からなる外筒３２で構成するようにしてもよい。このように第１の筒体２１を内筒３１および外筒３２で構成し、かつ外筒３２を黒鉛で形成することにより、熱伝導を良くし、凝固速度を速めることができる。なお、外筒３２は、銅、鉄、アルミニウム、それらの合金などで形成されていてもよい。また、場合により、第２の筒体２２および第３の筒体２３についても、黒鉛からなる内筒と、例えば銅、鉄、アルミニウム、それらの合金などからなる外筒で構成するようにしてもよい。

さらに、第２の筒体２２と第３の筒体２３と外筒３２がいずれも黒鉛で形成されている場合、例えば図４に示すように、それらを一体化することも可能である。すなわち、第２の筒体２２と第３の筒体２３と外筒３２とが一体に成形された黒鉛からなる筒体２４の溶湯注入側端部に、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン基合金などの、銅とも銅合金中に含まれる他の金属とも反応しない金属または合金からなる内筒３１を挿入する構成としてもよい。これらのいずれの例においても、内筒３１は、あまり薄いと機械的強度が低下することから、１ｍｍ程度以上の厚みを有するようにすることが好ましい。

本発明においては、さらに、図示は省略したが、内筒３１に代えて、外筒３２の内周面に溶射などの方法により、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン基合金などの、銅とも銅合金中に含まれる他の金属とも反応しない金属または合金からなる被覆を設けるようにしてもよい。但し、耐久性やメンテナンスの容易さなどの観点からは、図２〜図４に例示したような、予め筒状に成形したものを使用することが好ましい。

また、図１に示した連続鋳造装置は、坩堝１１の下部に鋳型１２を水平に取り付けた、いわゆる横型（水平ともいう）連続鋳造装置の例であるが、坩堝の底部に鋳型を垂直に取り付け、その上端の開口部より溶湯を注入し、下端の開口部より引き出す、いわゆる縦型連続鋳造装置や、溶湯を坩堝より上方に引き上げて鋳造する上方引上（アップキャストともいう）連続鋳造装置であってもよい。縦型連続鋳造装置および上方引上連続鋳造装置のいずれにおいても、横型連続鋳造装置と同様、表面欠陥のない（もしくは少ない）品質の良い鋳造ロッドを鋳造することができる。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

実施例１〜３
図１に示す横型連続鋳造装置を用いて、Ｃｕ−０．６質量％Ｃｒ合金（実施例１）、Ｃｕ−０．３質量％Ｚｒ合金（実施例２）およびＣｕ−２質量％Ｔｉ合金（実施例３）からなる線径９．５ｍｍの鋳造ロッドを鋳造したところ、いずれも表面割れなどの欠陥のない鋳造ロッドを支障なく鋳造することができた。なお、横型連続鋳造装置における鋳型１２の構成および鋳造条件は次の通りである。
第１の筒体：モリブデン製、長さ１００ｍｍ、外径（フランジ部を除く）１６ｍｍ、
内径９．５ｍｍ
第２および第３の筒体：黒鉛製、長さ１００ｍｍ、外径１６ｍｍ、内径９．５ｍｍ
溶湯温度：１３００℃
鋳造速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ

また、比較のために、従来タイプの黒鉛製鋳型（全長３００ｍｍ、外径（フランジ部を除く）１６ｍｍ、内径９．５ｍｍ）を用いた以外は各実施例と同様の連続鋳造装置を用い、各実施例と同様の条件で同じ組成の鋳造ロッドの鋳造を試みたが、表面割れなどの欠陥が生じた。連続鋳造装置を分解し、鋳型の内周面を観察したところ、それぞれＣｒ、ＺｒおよびＴｉの炭化物が付着しているのが確認された。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

本発明の一実施形態に使用される連続鋳造装置の構成を概略的に示す断面図である。 図１の連続鋳造装置の鋳型を拡大して示す断面図である。 鋳型の変形例を示す断面図である。 鋳型の他の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０…溶湯、１１…坩堝、１２…鋳型、１３…水冷ジャケット、１６…鋳造ロッド、２１…第１の筒体、２２…第２の筒体、２３…第３の筒体、２４…筒体、３１…内筒、３２…外筒。

Claims (6)

1. 両端を開口させた筒状の炭素材料からなる鋳型の一方の開口部より前記鋳型を構成する炭素と反応する金属を含有する銅合金の溶湯を注入し、他方の開口部より前記溶湯が凝固した鋳造物を引き抜く銅合金の製造方法であって、
   溶解または半凝固状態にある前記銅合金が接触する前記鋳型の内周面が、前記銅合金の金属成分と反応しない金属にて被覆されていることを特徴とする銅合金の製造方法。
2. 前記内周面が、モリブデンまたはモリブデン基合金からなることを特徴とする請求項１記載の銅合金の製造方法。
3. 前記鋳型は、溶解または半凝固状態にある前記銅合金が接触する前記鋳型の内周面が前記銅合金の金属成分と反応しない金属からなり、かつ前記溶湯の注入側開口部を有する第１の筒体と、この第１の筒体に直列にかつ軸心を一致させて配置された第２の筒体とを備えることを特徴とする請求項１記載の銅合金の製造方法。
4. 第１の筒体は、少なくとも内周面がモリブデンまたはモリブデン基合金で形成されていることを特徴とする請求項３記載の銅合金の製造方法。
5. 溶湯は、ジルコニウム、クロムおよびチタンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の銅合金の製造方法。
6. 両端を開口させた筒状の炭素材料からなる鋳型の一方の開口部より銅合金の溶湯を注入し、他方の開口部より前記溶湯が凝固した鋳造物を引き抜いて銅合金を製造する装置であって、前記鋳型の溶湯注入側内周面がモリブデンまたはモリブデン基合金で被覆されていることを特徴とする銅合金の製造装置。

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