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