JP2014015640A - 銅合金線の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分塊法よりも生産性を向上させることができ、連続鋳造圧延装置（ＳＣＲ装置）による場合に比して優れた耐熱性及び導電性を有するＢを含有した銅合金線の製造方法を提供する。
【解決手段】無酸素銅溶湯に、Вを０．０００４〜０．００３２質量％の割合で添加して銅溶湯１１とし、これを、上方引上連続鋳造装置を用いて銅溶湯１１を鋳造ダイス２３を通して引き上げると共に冷却パイプ２６内で１００℃以下に冷却して冷却凝固させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価で高い耐熱性と導電性を兼ね備えた銅合金線の製造方法に関するものである。

銅の耐熱性を向上させる手段として様々な元素の添加が実施されているが、その中でもホウ素（Ｂ）を微少量添加させることで、耐熱性を向上（＝軟化温度の向上）させつつ電気導電率を純銅並みに維持できることが知られている（例えば、特許文献１）。しかし、単にＢを添加するだけでは軟化温度は向上せず、逆に軟化温度が低下する（特許文献２）。これは、軟化温度向上にはＢが銅中に固溶して存在することが必要である為であり、極めて高温状態から急速に冷却を施すことで軟化温度の向上が図れる。

そのような事情から、従来のＢを含有させた銅合金の製造方法は分塊法が用いられている。この分塊法は、例えば、無酸素銅ないし電気銅を溶解し、これにＣｕ−Ｂ銅合金（例えばＣｕ−２％Ｂ）を添加して、まずインゴットを作製する。ついで、熱間加工（例えば７５０℃以上）し、直後に急冷する。その後冷間伸線加工等を施し所定の形状に加工するものである（例えば、特許文献１）。

上記の分塊方法では、耐熱性・導電性に優れる銅合金を得られるが、一度冷却した鋳造材を再度加熱する必要がある為、熱効率が悪く、熱処理工程で余分に時間がかかる。

更に分塊法では製品にならない頭部や底部が多い為、歩留りが悪く、量産には適していない。そこで、生産性を向上させる為には、例えば、連続鋳造圧延装置（ＳＣＲ装置）を用いて銅合金を製造することが考えられる。

ＳＣＲ装置による銅合金の製造方法は、連続溶解炉であるシャフト炉において、溶解された溶湯を保持炉に滞留させ、樋と注入ノズルを通してベルトとホイールで構成される回転式移動式鋳型に注ぎ込み、冷却固化させて鋳塊とし、この鋳塊を連続圧延して荒引線とするものである。

特公昭６０−４３９０４号公報 特公平２−９６６０号公報

しかしながら、ＳＣＲ装置による製造方法ではＢが十分に固溶せず、高い軟化温度が得られない。これは、ＳＣＲ装置の鋳型を構成するホイールによる冷却速度がＢを銅に固溶状態にさせるのに不十分である為である。

本発明の目的は、分塊法よりも生産性を向上させることができ、連続鋳造圧延装置（ＳＣＲ装置）による場合に比して優れた耐熱性及び導電性を有するＢを含有した銅合金線の製造方法を提供するものである。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、無酸素銅溶湯に、Вを０．０００４〜０．００３２質量％の割合で添加して銅溶湯とし、これを、上方引上連続鋳造装置を用いて銅溶湯を鋳造ダイスを通して引き上げると共に冷却パイプ内で１００℃以下に冷却して冷却凝固させることを特徴とする銅合金線の製造方法である。

請求項２の発明は、無酸素銅へのＢの添加は、Ｃｕ−２％В銅合金を添加して、割合を０．０００４〜０．００３２質量％に調整することを特徴とする請求項１に記載の銅合金線の製造方法である。

請求項３の発明は、前記銅合金の半軟化温度が２７０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の銅合金線の製造方法である。

請求項４の発明は、前記銅合金材の導電率が１０２ＩＡＣＳ％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の銅合金線の製造方法である。

本発明の上方引上連続鋳造装置を用いて製造された銅合金線は、半軟化温度が純銅と比較し５０℃以上高く、１０２ＩＡＣＳ％以上の電気導電率を有する特性を有する銅合金線を連続的に製造することができ、かつ熱処理等の工程が不要となる為安価に製造することができるという、優れた効果を発揮する。

本発明に用いる上方引上連続鋳造装置の全体図である。 図１における鋳造装置の部分断面拡大図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明に用いる上方引上連続鋳造装置の全体図を示し、図２は、図１の鋳造装置の部分拡大断面図を示したものである。

図１に示すように上方引上連続鋳造装置は、銅を溶解する溶解炉（例えば電気炉）１０と、溶解炉１０で溶解した銅溶湯１１が流入する保持炉（例えば電気炉）１２を有している。

溶解炉１０では、銅溶湯１１を、酸化防止剤１３で酸素と遮断した状態で溶解・保持し、その銅溶湯１１を溶湯樋１４を介して、保持炉１２に供給する。保持炉１２内は、仕切り板１５にて下部が連通した銅溶湯受入部１６と鋳造部１７に区画され、保持炉１２の鋳造部１７の銅溶湯１１が、カーボンフレークなどの酸化防止剤１８で酸素が遮断された状態にされ、その銅溶湯１１の面に鋳造装置２０が配置され、その鋳造装置２０の上方に連続的に鋳造した無酸素銅線の荒引線２２を引き上げる引上装置２１が設けられる。

図２に示すように鋳造装置２０は、銅溶湯１１から溶銅を所定線径太さで冷却・凝固してワイヤロッド２２ａとして引き上げるための鋳造ダイス２３を有し、その鋳造ダイス２３の外周に冷却体２４を介してグラファイト等からなるスリーブ２５が設けられ、冷却体２４上に二重管からなる冷却パイプ２６が設けられ、その冷却パイプ２６の下部に冷却水導入管２７が接続され、上部に冷却水排出管２８が接続されて構成される。冷却体２４は図示していないが冷却水導入管２７からの冷却水の冷却水通路が形成され、適宜冷却体２４を水冷できるようになっている。また図１に示すように冷却水導入管２７には、冷却水供給配管２７ａが接続され、冷却水排出管２８には冷却水排出配管２８ａが接続され、冷却水排出配管２８ａからの冷却後の冷却水がチラー（図示せず）にて所定の温度（例えば２７℃）に冷却され、冷却水供給配管２７ａ、冷却水導入管２７を通して冷却パイプ２６内に供給循環されるようになっている。

この上方引上連続鋳造装置において、銅溶湯１１は、鋳造ダイス２３で所定線径太さで冷却され、凝固してワイヤロッド２２ａとなり、荒引線２２として上方に引き上げられる。このとき、鋳造ダイス２３の外側並びに鋳造ダイス２３の上方では、冷却水が冷却水導入管２７から流入し、冷却体２４を介して鋳造ダイス２３を冷却すると共に冷却パイプ２６を介してワイヤロッド２２ａを冷却しながら、冷却水通路２９を上方へ上がり、ワイヤロッド２２ａの熱を奪って、冷却水排出管２８、冷却水排出配管２８ａを通ってチラーに戻り、再び所定の温度に冷却されて循環される。また、鋳造装置２０の冷却パイプ２６の冷却水通路２９に流入する冷却水温度は、冷却チラーによって一定に制御される。

さて、本発明においては、保持炉１２に保持される銅溶湯１１に、Ｃｕ−Ｂ銅合金（例えばＣｕ−２％Ｂ）を添加し、銅溶湯１１中に含まれるＢの割合を０．０００４〜０．００３２質量％に調整する。

このように保持炉１２内の銅溶湯１１中のВの添加割合を調整した後、保持炉１２の銅溶湯面に配置した鋳造装置２０の鋳造ダイス２３からワイヤロッド２２ａを冷却パイプ２６を介し、引上装置２１を用いて荒引線材２２を上方に連続的に引き上げる。この際、ワイヤロッド２２ａは冷却パイプ２６内を通る間に冷却水通路２９内を流れる冷却水で、冷却、凝固されて、引上装置２１を用いて無酸素銅線の荒引線材２２を上方に連続的に引き上げる。この際ワイヤロッド２２ａは、冷却水通路２９を流れる冷却水により、その周囲から急速に１００℃以下に冷却されるため、固溶状態のВがそのまま凝固される。

Ｂを含む荒引線２２（本実施形態では線径φ８ｍｍ）を、冷間伸線もしくは冷間圧延により、所定の線径（本実施形態では線径φ２．６ｍｍ）まで加工する。

上記手順で得られた線材は、Ｂを０．０００４〜０．００３２質量％固溶状態で含有し、半軟化温度はＢを含有していない純銅よりも５０℃以上高く、１０２ＩＡＣＳ％以上の高い導電率を有する。

ここでいう半軟化温度とは、６０ｍｉｎの熱処理を施したとき、線材の強度が、熱処理前の強度と完全軟化時（線材の強度がそれ以上に低下しないところまで軟化した状態）の強度との中間にまで低下する最低温度のことである。

電気導電率は完全軟化処理後の線材を測定した結果である。

また、ここでいう無酸素銅とは、１０ｐｐｍ以下の酸素含有量で、かつ不可避的不純物を含む純銅のことを意味する。

Ｂ成分は線材の軟化温度を向上させる為に添加したものであるが、その含有量が０．０００４質量％未満の場合、十分な軟化温度向上効果が得られない。また、Ｂ含有量が０．００３２質量％以上の場合、軟化温度はそれ以上高くならず、それどころか低下していくことから、Ｂ含有量は、０．０００４〜０．００３２質量％がよい。

以上本発明によれば、上方引上連続鋳造装置を用い、銅溶湯の状態からこれを引き上げて即座に１００℃以下にまで冷却し、荒引線形状へと鋳造される。この上方引上連続鋳造装置であれば、銅溶湯の引き上げの過程で急速に冷却する機構を有しているため、この際の冷却速度は銅溶湯をベルト＆ホイール内部に流し込み鋳造材を作製し、しばらく高温状態を維持したまま圧延加工する連続鋳造圧延装置（例えばＳＣＲ方式）よりもはるかに速い。

したがって、本発明のように上方引上連続鋳造装置により製造した鋳造材は、Ｂを銅中に十分固溶させた状態で鋳造材を製造することができるため、連続鋳造圧延装置により製造した鋳造材に比べて耐熱性が向上する。

また、本発明の上方引上連続鋳造装置であれば、鋳造段階で冷却機構を備えているため、Ｂが銅中に十分固溶させることができ、軟化温度の向上に寄与するものである。したがって、上記分塊法のように、鋳造後に、急冷処理をするために別途熱処理を行う必要がない。

本発明による銅合金の製造方法により得られる荒引線及び最終的に得られる銅材の形態は、減面加工によって形成可能なものであれば特に限定するものではなく、例えば、線状、板状、または帯条などのいずれであってもよい。

また、上方引上連続鋳造装置と同様の原理で鋳造が可能な下方引抜連続鋳造装置でも前述の急冷効果が期待でき、耐熱性、導電性に優れる銅合金が製造可能であると考えられる。

実施例１〜実施例４：
図１、図２に示した上方引上連続鋳造装置を用い、無酸素銅を溶解炉１０で１１５０℃に加熱して溶解し、その銅溶湯１１を保持炉１２に流し、保持炉１２内に、Ｃｕ−Ｂ銅合金（Ｃｕ−２％В）を添加して、無酸素銅にВを添加した。

ここで、実施例１は、ＣｕにＢを０．０００４質量％含有、実施例２は、Ｂを０．０００８質量％含有、実施例３は、Ｂを０．００２３質量％含有、実施例４は、Ｂを０．００３１質量％含有させた。

保持炉１２内を１１５０℃に保持した銅溶湯１１を、冷却水温２７℃、５０ｍｌ／ｍｉｎの冷却水量で、冷却水を冷却パイプ２６の冷却水通路２９に供給し、冷却しながら速度５ｍ／ｍｉｎで引き上げて、線形φ８ｍｍの荒引線２２を製造した。

この荒引線に冷間伸線加工を複数回施し、線径φ２．６ｍｍの線材を作製した。

比較例１：
Вを添加せずに無酸素銅のみで実施例と同様の条件で荒引線を製造した。

比較例２：
Вを０．００４７質量％含有させ、実施例と同様の条件で荒引き線を製造した。

比較例３：
タフピッチ銅の溶湯にＢを０．０００９質量％添加した銅溶湯を、連続鋳造圧延装置（ＳＣＲ方式）を用いてタフピッチ銅からなる荒引線φ８ｍｍを製造した。この荒引線に冷間伸線加工を複数回施し、線径φ２．６ｍｍの線材を作製した。

実施例１〜４、比較例１〜３の各線材を用いて軟化試験を実施し、軟化特性の評価を行った。軟化特性の評価には半軟化温度を用いて行った。

ここでいう半軟化温度とは、６０ｍｉｎの熱処理を施したとき、線材の強度が、熱処理前の強度と完全軟化時（線材の強度がそれ以上に低下しないところまで軟化した状態）の強度との中間にまで低下する最低温度のことである。

また、各線材について完全軟化処理を施し、導電率の測定も実施した。

表１に示すように、実施例１〜４の各線材はいずれもＢ含有量が０．０００４〜０．００３２質量％の範囲であり、本発明による銅合金の製造方法を満足していた。実施例１、２の線材の半軟化温度はいずれも２７０℃以上であり（２７０〜３４０℃）、Ｂを含有していない比較例１の無酸素銅線材の半軟化温度（２２０℃）と比較すると、５０℃以上（５０〜１２０℃）も半軟化温度が向上していた。特に実施例２、３の線材は、半軟化温度が３３０℃以上であるのでより好ましい。

これに対して、比較例２の線材はＢ含有量が０．００４７質量％と多すぎる為に、線材の軟化温度を向上させる効果が不十分であり、Ｂ無添加の比較例１の線材と比較して半軟化温度の向上は２０℃だけであった。

以上より、無酸素銅に添加するＢの添加割合は、０．０００４〜０．００３２質量％がよいことがわかる。

また、ＳＣＲ方式にて製造した比較例３の線材は、Вの割合は本発明の範囲内にあり、半軟化温度が最も高かった実施例２とＢの含有量と略同じであるものの、半軟化温度はあまり向上していない。この理由は、ＳＣＲ方式の冷却速度が、銅中にＢを十分固溶させるには不十分であった為、軟化温度の向上効果が不十分であったと考えられる。

各線材の完全軟化処理後の導電率は、無酸素銅を銅母材とする実施例１〜４及び比較例１、２の線材はいずれも１０２ＩＡＣＳ％以上であった。

以上より、荒引線の構成材である無酸素銅溶湯にＢを所定の割合で添加し、その無酸素銅溶湯を上方引上連続鋳造装置に供給して線材を製造することで、線材の軟化温度を大幅に向上させることができ、かつ高い導電率を維持することが確認された。

本発明による製造法により得られる銅合金は高い耐熱性と導電率を兼ね揃える。この特徴により、高温環境で強度が要求される導電材製品分野で幅広い応用が期待できる。

１０ 溶解炉
１１ 銅溶湯
１２ 保持炉
２０ 鋳造装置
２３ 鋳造ダイス
２６ 冷却パイプ
２９ 冷却水通路

Claims (4)

1. 無酸素銅溶湯に、Вを０．０００４〜０．００３２質量％の割合で添加して銅溶湯とし、これを、上方引上連続鋳造装置を用いて銅溶湯を鋳造ダイスを通して引き上げると共に冷却パイプ内で１００℃以下に冷却して冷却凝固させることを特徴とする銅合金線の製造方法。
2. 無酸素銅へのＢの添加は、Ｃｕ−２％В銅合金を添加して、割合を０．０００４〜０．００３２質量％に調整することを特徴とする請求項１に記載の銅合金線の製造方法。
3. 前記銅合金の半軟化温度が２７０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の銅合金線の製造方法。
4. 前記銅合金材の導電率が１０２ＩＡＣＳ％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の銅合金線の製造方法。