JP2013086156A - 鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｃｕ−Ｇａ合金からなるＣｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により作製するための鋳造装置において、複数のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生を充分に抑制して製造することができる鋳造装置を提供する。
【解決手段】 鋳造装置１００は、坩堝１と複数の鋳型２と複数の貯留槽３とを備える。各鋳型２の外周面には、冷却抑制部材２４が設けられ、互いに隣接する鋳型２間には、輻射熱伝達防止部材４１が設けられている。そして、各鋳型２の鋳型条件Ｓ_ｍ、および平均鋳型条件Ｓ_ＡＶが、（｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ）×１００≦３の関係を満たす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｃｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により作製するための鋳造装置に関する。

Ｇａ（ガリウム）の組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金は、主に、薄膜型太陽電池を構成する光吸収層の薄膜形成用のスパッタリングターゲットとして用いられる。

スパッタリングターゲットは、溶解鋳造法によって製造された直方体形状（例えば大きさが、３００ｍｍ×４００ｍｍ×１０００ｍｍである）の合金インゴット（スラブ）を、旋盤や丸鋸を用いて幾つかに切断し、切断された合金片（スラブ）を圧延、切削することにより製造される。

例えば、特許文献１には、溶解鋳造によって、Ｃｕ−Ｇａ合金からなるスパッタリングターゲット用のＣｕ−Ｇａ合金スラブを製造する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示される技術では、比較的小さなサイズのＣｕ−Ｇａ合金スラブしか製造することができず、また、所望するＣｕ−Ｇａ合金スラブの大きさに合わせたモールドをその都度用意しなければならないので、生産性が極めて低い。

スパッタリングターゲット用のＣｕ−Ｇａ合金スラブを製造する他の方法としては、セラミックスなどの成形と同様に、Ｃｕ−Ｇａ合金粉末を焼結することによって所望の形状に成形（製造）する方法がある。Ｃｕ−Ｇａ合金粉末を焼結することによって製造されたＣｕ−Ｇａ合金スラブは、スパッタリングターゲットに加工したときに、相対密度が９５％以下と低密度であり、酸素含有率が数１０００ｐｐｍと高いため、スパッタ成膜時の異常放電や酸化物による汚染の問題が伴う。

そのため、スパッタリングターゲット作製時にＣｕ−Ｇａ合金スラブを用いる場合には、Ｃｕ−Ｇａ合金スラブは一般的に溶解鋳造によって製造されていることが望ましい。

スパッタリングターゲットとして用いられるＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金は、延性や展性が乏しく、硬度が高くて割れ易い（脆い）。そのため、溶解鋳造により製造されたＣｕ−Ｇａ合金からなるＣｕ−Ｇａ合金スラブには、ひび割れが発生している場合がある。このようなひび割れが発生したＣｕ−Ｇａ合金スラブを製品化するためには、例えばひび割れが発生した部分を切削して除去しなければならない。また、発生した切削屑には切削によって不純物が混入してしまうため、例えばＣｕ−Ｇａ合金スラブをスパッタリングターゲットを作製するときに用いる場合には、当該切削屑をＣｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造して製造するときに再利用することができない。そのため、再利用できない多量の切削屑が発生してＣｕ−Ｇａ合金スラブの製品の歩留まりが悪くなる。

例えば、非特許文献１には、銅合金鋳物を溶解鋳造により製造するときのひび割れの発生を抑制する方法として、鋳型形状の変更による応力発生源をなくす方法、鋳物各部を一様に冷却して温度勾配を小さくして応力を緩和する方法、鋳型上部などの押し湯部に発熱材や保温材などを設ける方法などが開示されている。

特開２０００−７３１６３号公報

「銅合金鋳物の生産技術」、財団法人素形材センター、ｐ．３９１〜３９２

しかしながら、Ｇａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金は、硬度が高くて脆い硬脆材であるので、Ｃｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により製造するときのひび割れ対策として、非特許文献１に開示される技術を適用したとしても、大型のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生を充分に抑制して製造することができない。

特に、一直線に沿って複数の鋳型を配置し、その複数の鋳型のそれぞれに坩堝内の溶湯を注湯して複数のＣｕ−Ｇａ合金スラブを同時に製造する場合には、全てのＣｕ−Ｇａ合金スラブのひび割れ発生を抑制することは困難である。

したがって本発明の目的は、Ｃｕ−Ｇａ合金からなるＣｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により作製するための鋳造装置において、複数のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生を充分に抑制して製造することができる鋳造装置を提供することである。

本発明は、Ｃｕ−Ｇａ合金からなるスラブを溶解鋳造により作製するための鋳造装置において、
Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯を収容し、その収容した溶湯を出湯するための出湯開口が設けられる坩堝と、
前記坩堝の下方に、直線に沿って配置される複数の鋳型であって、前記坩堝の前記出湯開口から出湯された溶湯が流入する注湯開口が設けられ、該注湯開口から流入して注湯された溶湯をスラブの形状に成形する複数の鋳型と、を備え、
前記複数の鋳型の個数をｘ個とし、直線に沿って配置される鋳型の並び順に、溶湯が注湯された各鋳型の最高到達温度［℃］をＴ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_ｘ−１，Ｔ_ｘとし、溶湯の各鋳型への注湯量［ｋｇ］をＭ_１，Ｍ_２，…，Ｍ_ｘ−１，Ｍ_ｘとしたとき、下記式（１）で表される各鋳型の鋳型条件Ｓ_ｍ、および下記式（２）で表される平均鋳型条件Ｓ_ＡＶが、下記式（３）の関係を満たすことを特徴とする鋳造装置である。
Ｓ_ｍ＝Ｔ_ｍ［℃］／Ｍ_ｍ［ｋｇ］ …（１）
（式中、ｍは１〜ｘである。）
Ｓ_ＡＶ＝（Ｓ_１＋Ｓ_２＋…＋Ｓ_ｘ−１＋Ｓ_ｘ）／ｘ …（２）
（｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ）×１００≦３ …（３）

また本発明の鋳造装置は、前記複数の鋳型間に配置され、互いに隣接する鋳型間での輻射熱の伝達を防止する輻射熱伝達防止部材をさらに備えることを特徴とする。

また本発明の鋳造装置は、前記複数の鋳型のそれぞれに注湯された溶湯が過度に冷却されるのを抑制する冷却抑制部材であって、前記複数の鋳型のそれぞれの外周面を覆うように設けられる冷却抑制部材をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、鋳造装置は、坩堝と、複数の鋳型とを備える。坩堝は、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯を収容し、その収容した溶湯を出湯するための出湯開口が設けられている。複数の鋳型は、直線に沿って配置される。各鋳型は、坩堝の出湯開口から出湯された溶湯が流入する注湯開口が設けられ、該注湯開口から流入して注湯された溶湯をスラブの形状に成形する。そして、本発明の鋳造装置では、直線に沿って整列する複数のｘ個の前記鋳型において、配置された鋳型の並び順に、溶湯が注湯された各鋳型の最高到達温度［℃］をＴ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_ｘ−１，Ｔ_ｘとし、溶湯の各鋳型への注湯量［ｋｇ］をＭ_１，Ｍ_２，…，Ｍ_ｘ−１，Ｍ_ｘとしたとき、上記式（１）で表される各鋳型の鋳型条件Ｓ_ｍ、および上記式（２）で表される平均鋳型条件Ｓ_ＡＶが、上記式（３）の関係を満たす。

このように、各鋳型の鋳型条件Ｓ_ｍと平均鋳型条件Ｓ_ＡＶとが、上記式（３）の関係を満たすことによって、複数の鋳型のそれぞれにおいて溶湯を一様に凝固させることができ、そのため、一度の鋳造において複数のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生を充分に抑制して製造することができる。

また本発明によれば、鋳造装置は、複数の鋳型間に配置され、互いに隣接する鋳型間での輻射熱の伝達を防止する輻射熱伝達防止部材をさらに備える。これによって、各鋳型内に溶湯が注湯されることによる輻射熱が、隣接する鋳型間で互いに伝達するのを防止することができるので、各鋳型内において溶湯を一様に凝固させることができる。

また本発明によれば、鋳造装置は、複数の鋳型のそれぞれの外周面を覆うように設けられる冷却抑制部材をさらに備える。この冷却抑制部材は、それぞれの鋳型に注湯された溶湯が過度に冷却されるのを抑制する。これによって、各鋳型内に注湯された溶湯が、急激に冷却されるのを防止することができるので、各鋳型内において溶湯を一様に凝固させることができる。

本発明の一実施形態である鋳造装置１００の構成を示す斜視図である。 鋳型２および貯留槽３の構成を示す斜視図である。 鋳型２に対する貯留槽３の配置位置を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態である鋳造装置１００の構成を示す斜視図である。図２は、鋳型２および貯留槽３の構成を示す斜視図である。図３は、鋳型２に対する貯留槽３の配置位置を示す図である。鋳造装置１００は、Ｃｕ−Ｇａ合金からなるＣｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により作製するための装置である。

本発明において、Ｃｕ（銅）およびＧａ（ガリウム）からなるＣｕ−Ｇａ合金中のＧａの組成比については、特に限定されるものではないが、１０ａｔ％以上５０ａｔ％以下が好ましく、より好ましくは２０ａｔ％以上４０ａｔ％以下である。なお、本発明においては、「ａｔ％」を「モル％」と類義の語句として扱うこととする。Ｇａ濃度が低い場合には、Ｃｕ中へのＧａ固溶が起こるため、ひび割れの発生が少ない。Ｇａ濃度が高すぎる場合には、固溶限界を超えるため、金属間化合物が形成され、ひび割れの発生が多くなり、かつ鋳造時に偏析が起こりやすくなる。

本実施形態の鋳造装置１００は、減圧下での溶解鋳造が可能となるように、チャンバ内に配置されている。鋳造装置１００は、坩堝１と、複数の鋳型２と、複数の貯留槽３とを備える。

坩堝１は、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯５を収容するものであり、その収容した溶湯５を出湯するための出湯開口１２が設けられている。この坩堝１は、一直線に沿って整列して配置される後述の複数の鋳型２の配列方向に沿って移動可能である。

坩堝１を構成する材料としては、溶解撹拌できるものであれば特に限定はされないが、Ｃｕ−Ｇａ合金中への金属汚染源にならないことを考慮すると、セラミックス、黒鉛などが好ましい。

坩堝１は、有底円筒状に形成される坩堝本体１１を有し、その坩堝本体１１の側壁の上端部近傍に、側壁を厚み方向に貫通する出湯開口１２が設けられている。また、坩堝本体１１の側壁には、前記出湯開口１２を取囲むように、前記側壁から外方に突出する漏斗状の出湯案内部１３が形成されている。この出湯案内部１３は、坩堝本体１１内に収容された溶湯５が、多方向に飛散しながら出湯開口１２から出湯されないように、出湯開口１２から出湯される溶湯５を一方向に案内する。

坩堝１の大きさとしては特に限定はされないが、坩堝本体１１の高さＨ１が３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、開口部の開口直径Ｄ１が１５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下である。また、本実施形態では、出湯開口１２は、開口直径が１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の円形状に形成される。

複数の鋳型２は、それぞれ、有底筒状に形成され、後述の貯留槽３の排出開口３３から排出された溶湯５が流入する注湯開口２２が設けられ、該注湯開口２２から流入して注湯された溶湯５をスラブの形状に成形する。複数の鋳型２は、注湯開口２２の短辺に平行な方向Ｘ（以下、「短辺方向」という）に沿って、所定の間隔をあけて整列して配置される。

鋳型２を構成する材料としては、砂、金属、セラミックス、黒鉛（カーボン）などを挙げることができるが、Ｃｕ−Ｇａ合金中への金属汚染源にならないことを考慮すると、砂、セラミックス、黒鉛などが好ましく、熱容量および熱伝導率が高く、冷却効率が高いという点で、黒鉛が特に好ましい。

鋳型２は、有底筒状に形成される鋳型本体２１を有する。この鋳型本体２１は、鉛直方向Ｚ上方に開口した中空の直方体であって、長方形平板状の底部と、底部の各辺から底部に対して垂直に立上がる複数（本実施形態では４）の側壁（長方形平板状）とを有する。鋳型２において、注湯開口２２は、前記複数の側壁の上端部が連なって長方形状に形成され、鉛直方向Ｚ上方に臨んで開口している。また、鋳型２において、複数の側壁の上端部、すなわち、注湯開口２２を形成する開口部の上端部には、図３に示すように、鉛直方向Ｚの上方から下方に進むにつれて内方側に傾斜して面取りされた面取り部２３が形成されている。

鋳型２の大きさは、鋳型本体２１の内側における鉛直方向Ｚの長さ、すなわち、鋳型本体２１の内側における高さＺ１が２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、好ましくは５０ｍｍ以上９００ｍｍ以下であり、注湯開口２２の短辺に平行な方向（短辺方向）Ｘの長さ、すなわち、注湯開口２２の短辺の長さＸ１が２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、好ましくは３０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であり、注湯開口２２の長辺に平行な方向（以下、「長辺方向」という）Ｙの長さ、すなわち、注湯開口２２の長辺の長さＹ１が１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、好ましくは１５０ｍｍ以上８００ｍｍ以下である。さらに、鋳型本体２１において、注湯開口２２の短辺の長さＸ１と、注湯開口２２の長辺の長さＹ１と、鋳型本体２１の内側における高さＺ１との関係は、Ｚ１＞Ｙ１＞Ｘ１であることが好ましい。

鋳型本体２１の大きさが小さすぎると、Ｃｕ−Ｇａ合金スラブの生産性が低下し、さらにＣｕ−Ｇａ合金の溶湯５の急冷が起こるため、脆性割れの原因ともなりえる。また、鋳型本体２１の大きさが大きくなりすぎると、鋳造後のＣｕ−Ｇａ合金スラブの内部に応力がたまって脆性割れの原因となるばかりではなく、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯５の最終凝固位置が中央部となるため内部欠陥発生の原因となる。

また、鋳型本体２１において、注湯開口２２の短辺の長さＸ１と、注湯開口２２の長辺の長さＹ１との長さ比率は、Ｘ１を「１」とした場合、Ｘ１：Ｙ１が、１：２〜１：１５であることが好ましい。より好ましくは、Ｘ１：Ｙ１が、１：３〜１：１０である。この「Ｘ１：Ｙ１」においてＹ１の値が小さすぎる場合、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯５の鋳型本体２１内における凝固形態が変化し、鉛直方向Ｚの中央部に応力が溜まるため、脆性割れの原因となり、また応力発生を軽減するため、徐冷を行った場合でも、偏析が起こる原因となりえる。

また、「Ｘ１：Ｙ１」においてＹ１の値が大きすぎる場合、鋳造後に得られるＣｕ−Ｇａ合金スラブを持ち上げて加工するなどの際に、長辺方向Ｙの中央部に多くの力がかかり、その部分で割れが発生する可能性が高くなる。

また、鋳型本体２１の内容積は、鋳型２を構成する材料の比熱、密度、熱伝導率などの条件から、鋳造時の鋳造温度、鋳型本体２１の調整温度などの条件と照らし合わせて、適宜選定すればよい。

複数の貯留槽３は、それぞれ、坩堝１の鉛直方向Ｚ下方において、複数の鋳型２のそれぞれに対応して配置され、坩堝１の出湯開口１２から出湯された溶湯５を貯留する有底筒状の部材である。

貯留槽３を構成する材料としては、砂、金属、セラミックス、黒鉛（カーボン）などを挙げることができるが、Ｃｕ−Ｇａ合金中への金属汚染源にならないことを考慮すると、砂、セラミックス、黒鉛などが好ましい。

貯留槽３は、坩堝１の出湯開口１２から出湯された溶湯５が流入する流入開口３２と、該流入開口３２よりも鉛直方向Ｚ下方に設けられ、流入開口３２から流入して貯留される溶湯５を、溢流させて排出可能な排出開口３３とが設けられている。

具体的には、貯留槽３は、有底筒状に形成される貯留槽本体３１を有する。この貯留槽本体３１は、鉛直方向Ｚ上方に開口した中空の直方体であって、長方形平板状の底部３１１と、底部３１１の各辺から底部３１１に対して垂直に立上がる複数（本実施形態では４）の側壁３１２（長方形平板状）とを有する。貯留槽３において、流入開口３２は、前記複数の側壁３１２の上端部が連なって長方形状に形成され、鉛直方向Ｚ上方に臨んで開口している。また、排出開口３３は、複数の側壁３１２のうちの１つの側壁３１２、具体的には、底部３１１の長辺から垂直に立上がる１つの側壁３１２を厚み方向に貫通して形成される。この排出開口３３は、底部３１１の長辺に平行に延びるスリット状（長方形状）に形成される。

貯留槽３の大きさは、貯留槽本体３１の鉛直方向Ｚの長さ、すなわち、貯留槽本体３１の高さＺ２が６５ｍｍ以上１１３０ｍｍ以下、好ましくは８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、流入開口３２の短辺に平行な方向Ｘの長さ、すなわち、流入開口３２の短辺の長さＸ２が５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、好ましくは１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、流入開口３２の長辺に平行な方向Ｙの長さ、すなわち、流入開口３２の長辺の長さＹ２が１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、好ましくは１５０ｍｍ以上８００ｍｍ以下である。さらに、貯留槽本体３１において、排出開口３３は、底部３１１から排出開口３３を形成する開口部の鉛直方向Ｚ下端部までの距離Ｚ４が、３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、好ましくは４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の高さ位置に形成される。また、排出開口３３の長辺に平行な方向Ｙの長さ、すなわち、排出開口３３の長辺の長さＹ３が１０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、好ましくは１５ｍｍ以上８００ｍｍ以下であり、排出開口３３の鉛直方向Ｚの長さ、すなわち、排出開口３３の短辺の長さＺ３が０ｍｍを超えて１００ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。

貯留槽３において、底部３１１から排出開口３３を形成する開口部の鉛直方向Ｚ下端部までの距離Ｚ４が大きくなりすぎ、かつ、流入開口３２の短辺の長さＸ２および長辺の長さＹ２が大きくなりすぎると、排出開口３３から溢流して排出されずに貯留槽３に貯留される溶湯５の量が多くなりすぎるので、Ｃｕ−Ｇａ合金スラブの生産効率が低下するおそれがある。

また、貯留槽３において、底部３１１から排出開口３３を形成する開口部の鉛直方向Ｚ下端部までの距離Ｚ４が小さくなりすぎ、かつ、流入開口３２の短辺の長さＸ２および長辺の長さＹ２が小さくなりすぎると、坩堝１の出湯開口１２から出湯された溶湯５を、貯留槽３を介して鋳型２に注湯するときの、溶湯５の運動エネルギーの低減効果が低下するおそれがある。

更に貯留槽３は、注湯前に加熱しても構わない。加熱温度は５０℃以上１０００℃以下が好ましく、１００℃以上６００℃以下が更に好ましい。加熱温度が高すぎる場合、加熱に要するエネルギーの使用により製造コストの増加につながる。また加熱温度が低すぎる場合には、溶湯５の温度低下に伴い溶湯５の粘度が上昇し、鋳型２内における溶湯５の湯周り不足の原因となりえる。さらには貯留槽３中で溶湯５の凝固が起こり、溶湯５を鋳型２へ注湯できないおそれがある。

貯留槽３の加熱方法としては、貯留槽３を昇温できれば特に限定されるものではないが、電磁誘導、ヒーター、赤外線などで貯留槽３を加熱する方法が挙げられる。その中でも使用方法が簡易であり、微細な温度調整も可能であるヒーターが好ましい。

また、本実施形態の鋳造装置１００は、冷却抑制部材２４および輻射熱伝達防止部材４１を備える。

冷却抑制部材２４は、各鋳型２の外周面において、各鋳型２の底面の法線方向（鉛直方向Ｚに平行な方向）に関して底面が形成される法線方向下方側の所定領域を覆うように設けられる。この冷却抑制部材２４は、各鋳型２内に注湯されたＣｕ−Ｇａ合金の溶湯５が過度に冷却されるのを抑制する。これによって、各鋳型２内に注湯された溶湯５が、急激に冷却されるのを防止することができるので、各鋳型２内において溶湯５を一様に凝固させることができる。

冷却抑制部材２４は、鋳型２の下部に対する保温効果および加熱効果の少なくともいずれか一方の効果を発揮するものであれば特に限定されるものではなく、保温効果を発揮する保温材としては、通常断熱材として用いられるグラスウールやクレカフェルト、耐火材として用いられるアラミド繊維シートなどを挙げることができ、加熱効果を発揮する加熱材としては、パイプヒータなどを挙げることができる。

また、冷却抑制部材２４の高さ（鉛直方向Ｚの長さ）は、鋳型本体２１の内側における高さＺ１に対して、１／４以上であることが好ましく、より好ましくは３／１０以上であり、特に好ましくは２／５以上である。これによって、各鋳型２内に注湯された溶湯５が、急激に冷却されるのをより確実に防止することができる。

また、冷却抑制部材２４は、鋳型２における溶湯５の注湯時の最高到達温度を、鋳型２内に注湯される前のＣｕ−Ｇａ合金の溶湯５の温度（鋳造温度）の２２％以上６２％以下とすることが好ましく、より好ましくは２５％以上５０％以下である。

冷却抑制部材２４による鋳型２の調整温度が低すぎる場合には、鋳型２に対する保温、または加熱の効果がなく、鋳型２の鉛直方向Ｚに温度勾配がつくため、鋳造後のＣｕ−Ｇａ合金スラブにひび割れが発生するおそれがある。また、冷却抑制部材２４による鋳型２の調整温度が高すぎる場合には、徐冷がされすぎるため、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯５の最終凝固位置に応力が集中し、鋳造後のＣｕ−Ｇａ合金スラブのひび割れ発生につながるばかりでなく、偏析の発生が懸念される。

輻射熱伝達防止部材４１は、各鋳型２間に配置され、互いに隣接する鋳型２間での輻射熱の伝達を防止する。具体的には、輻射熱伝達防止部材４１は、各貯留槽３を支持する支持台４の脚部の位置に配置される。このような輻射熱伝達防止部材４１を備えることによって、各鋳型２内に溶湯５が注湯されることによる輻射熱が、隣接する鋳型２間で互いに伝達するのを防止することができるので、各鋳型２内において溶湯５を一様に凝固させることができる。

輻射熱伝達防止部材４１は、隣接する鋳型２間で輻射熱が互いに伝達するのを防止する効果を発揮するものであれば特に限定されるものではなく、通常断熱材として用いられるグラスウールやクレカフェルト、耐火材として用いられるアラミド繊維シートなどを挙げることができる。

以上のように構成された鋳造装置１００を用いてＣｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により作製する場合には、坩堝１に収容されたＣｕ−Ｇａ合金の溶湯５が、出湯開口１２から出湯されて、一直線に沿って配置される鋳型２の並び順に対応して、端から順番に、流入開口３２を介して各貯留槽３に一時的に貯留される。このようにして各貯留槽３に貯留された溶湯５は、その湯面５１が排出開口３３を形成する開口部の下面３３ａよりも上方に超えると、排出開口３３から溢流し、各貯留槽３から排出されることになる。そして、各貯留槽３の排出開口３３から溢流して排出された溶湯５は、注湯開口２２を介して各鋳型２に注湯される。

そして、本実施形態の鋳造装置１００では、直線に沿って整列する複数の鋳型２の個数をｘ個とし、直線に沿って配置された鋳型２の並び順に、溶湯５が注湯された各鋳型２の最高到達温度［℃］をＴ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_ｘ−１，Ｔ_ｘとし、溶湯５の各鋳型２への注湯量［ｋｇ］をＭ_１，Ｍ_２，…，Ｍ_ｘ−１，Ｍ_ｘとしたとき、下記式（１）で表される各鋳型２の鋳型条件Ｓ_ｍ、および下記式（２）で表される平均鋳型条件Ｓ_ＡＶが、下記式（３）の関係を満たす。
Ｓ_ｍ＝Ｔ_ｍ［℃］／Ｍ_ｍ［ｋｇ］ …（１）
（式中、ｍは１〜ｘである。）
Ｓ_ＡＶ＝（Ｓ_１＋Ｓ_２＋…＋Ｓ_ｘ−１＋Ｓ_ｘ）／ｘ …（２）
（｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ）×１００≦３ …（３）

鋳型２に溶湯５が注湯される場合、鋳型２の温度は、注湯開始時点から徐々に上昇し、溶湯５の鋳型２内での凝固に伴って、あるピーク温度を境界にして下降する。このような温度挙動を示す鋳型２において、鋳型２の前記最高到達温度は、溶湯５の注湯が開始されてから終了するまでの間におけるピーク温度を示す。

各鋳型２の鋳型条件Ｓ_ｍ、および平均鋳型条件Ｓ_ＡＶは、冷却抑制部材２４および輻射熱伝達防止部材４１を配置するか否かなどによって調整することができる。

このように、各鋳型２の鋳型条件Ｓ_ｍと平均鋳型条件Ｓ_ＡＶとが、上記式（３）の関係を満たすことによって、複数の鋳型２のそれぞれにおいて溶湯５を一様に凝固させることができ、そのため、一度の鋳造において複数のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生を充分に抑制して製造することができる。

また、本実施形態の鋳造装置１００を用いてＣｕ−Ｇａ合金スラブを溶解鋳造により作製する場合には、前述のように、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯５が、坩堝１から直接的に各鋳型２内に注湯されるのではなく、各貯留槽３を介して各鋳型２内に注湯されるので、各鋳型２内に注湯されるときの溶湯５の運動エネルギーを減少させることができるとともに、注湯時における各鋳型２の内面（特に底面）に衝突することによる溶湯５の飛散を防止することができる。これによって、各鋳型２内に注湯されるときの溶湯５の対流を抑制することができるとともに、溶湯５の飛散を防止することができるので、各鋳型２内において溶湯５を一様に凝固させることができ、そのため、大型のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生および内部欠陥の発生を充分に抑制して製造することができる。

また、図３に示すように、各貯留槽３は、排出開口３３が形成される側壁３１２の外面が、各鋳型２の内面（鋳型本体２１の内面）の上方に連なる位置に配置される。

このような貯留槽３を備える鋳造装置１００において、各貯留槽３に貯留された溶湯５は、その湯面５１が排出開口３３を形成する開口部の下面３３ａよりも上方に超えると、排出開口３３から溢流し、排出開口３３が形成される側壁３１２の外面に沿って流過し、さらに、前記側壁３１２の外面に連なる各鋳型２の内面に沿って面取り部２３を介して流過して、各鋳型２に注湯される。これによって、各鋳型２内に注湯されるときの溶湯５の対流を抑制することができるので、各鋳型２内において溶湯５を一様に凝固させることができ、そのため、大型のＣｕ−Ｇａ合金スラブを、ひび割れ発生を充分に抑制して製造することができる。

次に、本実施形態の鋳造装置１００を用いてＣｕ−Ｇａ合金スラブを製造する製造方法について説明する。

鋳造装置１００を用いてＣｕ−Ｇａ合金スラブを製造する場合、まず、坩堝１内に銅（Ｃｕ）およびガリウム（Ｇａ）の必要量を仕込む。その後、坩堝１が投入されたチャンバ内を１０^−１Ｔｏｒｒ以下まで減圧する。

チャンバ内が１０^−１Ｔｏｒｒ以下まで減圧されたことを確認後、昇温速度５〜２０℃／分、好ましくは７〜１８℃／分で８００℃から１１００℃に昇温する。昇温速度が速すぎる場合、突沸が起こる可能性があり、昇温速度が遅すぎる場合、生産性が下がる。昇温後の保持温度（鋳造温度）は、合金組成の融点、鋳型２の材料、体積、比熱、密度などによって変化する。例えば、合金組成の融点が８５０℃である場合には、昇温後の保持温度（鋳造温度）は、９００℃以上１０００℃以下が好ましく、９２０℃以上９８０℃以下がより好ましい。昇温後の保持温度が高すぎる場合、電力消費等が増加するので、製品コストの増加につながる。昇温後の保持温度が低すぎる場合、注湯時に溶湯５が出湯開口１２で固まり、出湯開口１２が詰まるおそれがある。なお、大気中で昇温した場合、原料の酸化などの問題が起こり、歩留まりの低下につながる。

その後、昇温後の温度（鋳造温度）で３０分間〜１２時間、好ましくは１時間〜５時間保持し、ＣｕとＧａの混合物を溶湯５（合金液体）にする。保持時間が短すぎる場合、合金が完全に混ざり合わない、または溶湯５中に残存する気体が除ききれず、後のさらに高真空化する工程で、突沸が起こる原因となり得る。保持時間が長すぎる場合、やはり生産性の低下を招き好ましくない。

さらにその後、８×１０^−４Ｔｏｒｒ以下、好ましくは５×１０^−４Ｔｏｒｒまで減圧し、３０分間以上１２時間以下、好ましくは１時間以上５時間以下保持する。鋳造時のチャンバ内圧力が高い場合、鋳造後のＣｕ−Ｇａ合金スラブ内への気体の巻き込みが起こり、内部欠陥の原因となる。また低すぎる場合には、ポンプ性能をあげる必要性があり、製造機器の高コスト化につながる。さらに昇温前に減圧しすぎると、突沸の原因となるため、避けたほうがよい。保持時間が短い場合、溶湯５中に存在する気体が除ききれず、内部欠陥の原因となる。逆に長すぎる場合には、やはり生産性の低下を招き好ましくない。

以上のような工程を経て、坩堝１内においてＣｕ−Ｇａ合金の溶湯５を得る。次に、坩堝１を傾けることで、坩堝１内の溶湯５を、出湯開口１２から出湯させる。出湯開口１２から出湯された溶湯５は、流入開口３２を介して各貯留槽３に一時的に貯留される。このようにして各貯留槽３に貯留された溶湯５は、その湯面５１が排出開口３３を形成する開口部の下面３３ａよりも上方に超えると、排出開口３３から溢流し、各貯留槽３から排出される。そして、各貯留槽３の排出開口３３から溢流して排出された溶湯５は、注湯開口２２を介して各鋳型２に注湯される。このとき、上記式（１）で表される各鋳型２の鋳型条件Ｓ_ｍ、および上記式（２）で表される平均鋳型条件Ｓ_ＡＶが、上記式（３）の関係を満たす。

次に、各鋳型２内で鋳造されたＣｕ−Ｇａ合金を室温まで自然冷却した後、各鋳型２からＣｕ−Ｇａ合金を取出す。

次に、各鋳型２から取出したＣｕ−Ｇａ合金を大気圧下または真空下（好ましくは大気圧下）で加熱処理を行う。加熱処理時の温度としては、４５０℃以上７００℃未満、より好ましくは５００℃以上６００℃以下である。Ｃｕ−Ｇａ合金に加熱処理を施すことによって、各鋳型２内において溶湯５が凝固されて得られたＣｕ−Ｇａ合金において、Ｃｕ中にＧａが偏析するのを抑制した上で、Ｃｕ−Ｇａ合金の内部に発生した応力を解放することができる。加熱処理時の温度が低すぎる場合、凝固時に発生した応力を解放できず、高すぎる場合は偏析が起こる。加熱処理の時間は、１時間以上１２時間以下が好ましく、より好ましくは２時間以上８時間以下である。加熱処理の時間が短すぎる場合、Ｃｕ−Ｇａ合金の内部応力の解放ができず、長すぎる場合生産性の低下につながる。

以上のようにして、Ｃｕ−Ｇａ合金からなるＣｕ−Ｇａ合金スラブを得ることができる。得られたＣｕ−Ｇａ合金スラブは、スパッタリングターゲットを作製するときのスラブとして、好適に用いることができる。

Ｃｕ−Ｇａ合金スラブをスパッタリングターゲットへと加工する方法としては、ワイヤー放電加工、放電加工、レーザー加工、研削機によるダイヤモンド切断加工、ダイヤモンドバンドソーを用いた切断加工、切削加工、ウォータージェット加工、ワイヤーソー、ブレードソーなど一般的な方法を採用することができる。これらの加工方法の中でも、Ｃｕ−Ｇａ合金が硬脆材であることを考慮すると、ワイヤー放電加工、放電加工、レーザー加工、ワイヤーソー、ダイヤモンドバンドソー、ウォータージェット加工などが好ましく、ワイヤー放電加工、ダイヤモンドバンドソー、ワイヤーソーがより好ましい。

Ｃｕ−Ｇａ合金スラブを、ワイヤー放電加工にてスパッタリングターゲットへと加工する場合、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のワイヤー線を用いることが好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のワイヤー線を使用する。また、ワイヤー放電加工における切断速度（加工速度）は、０．１ｍｍ／分以上８ｍｍ／分以下が好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ／分以上３ｍｍ／分以下である。ワイヤー線の太さは、細すぎるとワイヤー線が加工中に切れる原因になり、また加工速度においては、遅すぎると生産性の低下につながり、早すぎると割れる原因になる。

本実施形態の鋳造装置１００を用いて製造することで、ひび割れ発生および内部欠陥の発生が抑制されたＣｕ−Ｇａ合金スラブを用いて作製されるスパッタリングターゲットは、例えば、薄膜型太陽電池を構成する光吸収層の薄膜形成用のスパッタリングターゲットとして好適に用いることができる。

（実施例）
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、実施例は本発明の一実施態様であり、本発明を限定するものではない。

（実施例１）
＜鋳造装置＞
鋳造装置として、図１に示した、複数の鋳型を備える鋳造装置を用いた。各鋳型の外周面には冷却抑制部材が設けられている。なお、実施例１において、鋳造装置は、輻射熱伝達防止部材を備えていない。

［坩堝］
・材質：高純度黒鉛（カーボン）
・出湯開口の開口直径：１５ｍｍ

［鋳型］
・２個の鋳型が整列配置されている。
・材質：高純度黒鉛（カーボン）
・鋳型本体の内側における高さＺ１：６５０ｍｍ
・注湯開口の短辺の長さＸ１：７０ｍｍ
・注湯開口の長辺の長さＹ１：３５０ｍｍ

［貯留槽］
・２個の鋳型のそれぞれに対応して、２個の貯留槽が設けられている。
・材質：高純度黒鉛（カーボン）
・貯留槽本体の高さＺ２：１２０ｍｍ
・流入開口の短辺の長さＸ２：１２８ｍｍ
・流入開口の長辺の長さＹ２：２５１ｍｍ
・底部から排出開口を形成する開口部の下端部までの距離Ｚ４：４５ｍｍ
・排出開口の長辺の長さＹ３：２００ｍｍ
・排出開口の短辺の長さＺ３：３０ｍｍ

＜Ｃｕ−Ｇａ合金スラブの製造＞
坩堝内に銅（Ｃｕ）１３２．４ｋｇ、ガリウム（Ｇａ）６２．３ｋｇを仕込み、坩堝が投入されたチャンバ内を１×１０^−１Ｔｏｒｒ台まで減圧した後、９８０℃（鋳造温度）で１時間保持し、その後、２×１０^−４Ｔｏｒｒ台まで減圧して２時間保持して、Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯を得た。

次に、坩堝内の溶湯を、出湯開口から出湯させる。出湯開口から出湯された溶湯は、整列配置される各貯留槽に一時的に貯留される。このようにして各貯留槽に貯留された溶湯は、その湯面が排出開口を形成する開口部の下面よりも上方に超えると、排出開口から溢流し、排出開口が形成される側壁の外面に沿って流過し、さらに、前記側壁の外面に連なる各鋳型の内面に沿って面取り部を介して流過して、各鋳型に注湯される。

このとき、各鋳型において、溶湯の注湯時の最高到達温度はそれぞれＴ_１＝３７７℃、Ｔ_２＝３１４℃であり、溶湯の注湯量はそれぞれＭ_１＝９７．８５ｋｇ、Ｍ_２＝８４．８８ｋｇであった。前記最高到達温度および前記注湯量に基づいた、上記式（１）で表される各鋳型における鋳型条件は、それぞれＳ_１＝３．８５、Ｓ_２＝３．７０であり、上記式（２）で表される平均鋳型条件は、Ｓ_ＡＶ＝３．７７５である。したがって、実施例１では、｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ×１００＝２．０％となる。

次に、各鋳型内で鋳造されたＣｕ−Ｇａ合金を室温まで自然冷却した後、各鋳型からＣｕ−Ｇａ合金を取出して、熱風循環炉を用い、５７０℃で２時間の熱処理を行い、注湯量がＭ_１の鋳型に対応する、３４０ｍｍ×５００ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）の直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金スラブ（以下、「第１スラブ」という）と、注湯量がＭ_２の鋳型に対応する、３４０ｍｍ×４３０ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）の直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金スラブ（以下、「第２スラブ」という）との２本のスラブを得た。

（実施例２）
鋳造装置として、図１に示した、複数の鋳型を備える鋳造装置を用いた。実施例２において、鋳造装置は、輻射熱伝達防止部材を備えており、各鋳型の外周面には冷却抑制部材が設けられていない。

Ｃｕ−Ｇａ合金スラブの製造条件として、原料の仕込み量、鋳造温度、各鋳型における最高到達温度、注湯量および鋳型条件、平均鋳型条件が以下のように設定されること以外は実施例１と同様にして、サイズが異なる２本のＣｕ−Ｇａ合金スラブ（第１，第２スラブ）を得た。
・原料の仕込み量：銅（Ｃｕ）１２５．８ｋｇ、ガリウム（Ｇａ）５９．２ｋｇ
・鋳造温度：９８０℃
・最高到達温度：Ｔ_１＝３５３℃、Ｔ_２＝３３１℃
・注湯量：Ｍ_１＝９１．６４ｋｇ、Ｍ_２＝８３．５２ｋｇ
・鋳型条件：Ｓ_１＝３．８５、Ｓ_２＝３．９６
・平均鋳型条件：Ｓ_ＡＶ＝３．９０５
・第１スラブのサイズ：３４０ｍｍ×４６５ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）
・第２スラブのサイズ：３４０ｍｍ×４２５ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）
なお、実施例２では、｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ×１００＝１．４％となる。

（実施例３）
鋳造装置として、図１に示した、複数の鋳型を備える鋳造装置を用いた。実施例３において、鋳造装置は、輻射熱伝達防止部材を備えており、各鋳型の外周面には冷却抑制部材が設けられている。

Ｃｕ−Ｇａ合金スラブの製造条件として、原料の仕込み量、鋳造温度、各鋳型における最高到達温度、注湯量および鋳型条件、平均鋳型条件が以下のように設定されること以外は実施例１と同様にして、サイズが異なる２本のＣｕ−Ｇａ合金スラブ（第１，第２スラブ）を得た。
・原料の仕込み量：銅（Ｃｕ）１１９．０ｋｇ、ガリウム（Ｇａ）５６．０ｋｇ
・鋳造温度：９５０℃
・最高到達温度：Ｔ_１＝３１１℃、Ｔ_２＝２９０℃
・注湯量：Ｍ_１＝８５．２８ｋｇ、Ｍ_２＝７９．９８ｋｇ
・鋳型条件：Ｓ_１＝３．６５、Ｓ_２＝３．６３
・平均鋳型条件：Ｓ_ＡＶ＝３．６４０
・第１スラブのサイズ：３４０ｍｍ×４３５ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）
・第２スラブのサイズ：３４０ｍｍ×４０５ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）
なお、実施例３では、｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ×１００＝０．３％となる。

（比較例１）
比較例１で用いた鋳造装置は、輻射熱伝達防止部材、および冷却抑制部材を備えていない。

Ｃｕ−Ｇａ合金スラブの製造条件として、原料の仕込み量、鋳造温度、各鋳型における最高到達温度、注湯量および鋳型条件、平均鋳型条件が以下のように設定されること以外は実施例１と同様にして、サイズが異なる２本のＣｕ−Ｇａ合金スラブ（第１，第２スラブ）を得た。
・原料の仕込み量：銅（Ｃｕ）１２２．４ｋｇ、ガリウム（Ｇａ）５７．６ｋｇ
・鋳造温度：９８０℃
・最高到達温度：Ｔ_１＝３４０℃、Ｔ_２＝３２０℃
・注湯量：Ｍ_１＝９０．５８ｋｇ、Ｍ_２＝７８．６４ｋｇ
・鋳型条件：Ｓ_１＝３．７５、Ｓ_２＝４．０７
・平均鋳型条件：Ｓ_ＡＶ＝３．９１０
・第１スラブのサイズ：３４０ｍｍ×４６０ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）
・第２スラブのサイズ：３４０ｍｍ×４００ｍｍ×６９ｍｍ（ｔ）
なお、比較例１では、｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ×１００＝４．１％となる。

＜ひび割れの評価＞
実施例１〜３および比較例１で得られたＣｕ−Ｇａ合金スラブを、平面研削盤にダイヤモンド砥粒を電着した外周刃ブレードを装着し、２４０ｍｍ×４００ｍｍの大きさへ切断し、切断後のスラブをワイヤー放電加工機（０．３ｍｍのワイヤー線）を用いて、加工速度０．７ｍｍ／ｍｉｎで、２５０ｍｍ×４００ｍｍ×２５ｍｍ（ｔ）のスライス板に加工した。

得られたスライス板を、染色浸透探傷剤（株式会社タセト製）に浸漬した。この染色浸透探傷剤は、深さ３０μｍ以上、幅１μｍ以上の欠陥を染色することができる。染色浸透探傷剤に浸漬した後のスライス板について、染色状態を目視にて確認し、ひび割れが発生しているか否かを評価した。評価結果を表１に示す。

実施例１〜３では、第１スラブおよび第２スラブに、ひび割れの発生がなかった。このように、実施例１〜３においてひび割れの発生を抑制できたのは、「｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ×１００」で表される算出値が、上記式（３）を満たして「３％」以下であるためである。

１ 坩堝
２ 鋳型
３ 貯留槽
１１ 坩堝本体
１２ 出湯開口
１３ 出湯案内部
２１ 鋳型本体
２２ 注湯開口
２３ 冷却抑制部材
３１ 貯留槽本体
３２ 流入開口
３３ 排出開口
４１ 輻射熱伝達防止部材
１００ 鋳造装置

Claims (3)

1. Ｃｕ−Ｇａ合金からなるスラブを溶解鋳造により作製するための鋳造装置において、
   Ｃｕ−Ｇａ合金の溶湯を収容し、その収容した溶湯を出湯するための出湯開口が設けられる坩堝と、
   前記坩堝の下方に、直線に沿って配置される複数の鋳型であって、前記坩堝の前記出湯開口から出湯された溶湯が流入する注湯開口が設けられ、該注湯開口から流入して注湯された溶湯をスラブの形状に成形する複数の鋳型と、を備え、
   前記複数の鋳型の個数をｘ個とし、直線に沿って配置された鋳型の並び順に、溶湯が注湯された各鋳型の最高到達温度［℃］をＴ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_ｘ−１，Ｔ_ｘとし、溶湯の各鋳型への注湯量［ｋｇ］をＭ_１，Ｍ_２，…，Ｍ_ｘ−１，Ｍ_ｘとしたとき、下記式（１）で表される各鋳型の鋳型条件Ｓ_ｍ、および下記式（２）で表される平均鋳型条件Ｓ_ＡＶが、下記式（３）の関係を満たすことを特徴とする鋳造装置。
   Ｓ_ｍ＝Ｔ_ｍ［℃］／Ｍ_ｍ［ｋｇ］ …（１）
   （式中、ｍは１〜ｘである。）
   Ｓ_ＡＶ＝（Ｓ_１＋Ｓ_２＋…＋Ｓ_ｘ−１＋Ｓ_ｘ）／ｘ …（２）
   （｜Ｓ_ＡＶ−Ｓ_ｍ｜／Ｓ_ＡＶ）×１００≦３ …（３）
2. 前記複数の鋳型間に配置され、互いに隣接する鋳型間での輻射熱の伝達を防止する輻射熱伝達防止部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 前記複数の鋳型のそれぞれに注湯された溶湯が過度に冷却されるのを抑制する冷却抑制部材であって、前記複数の鋳型のそれぞれの外周面を覆うように設けられる冷却抑制部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造装置。