JP2773813B2 - 合金の製造方法 - Google Patents

合金の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、鋳塊の導電率特性を測
定しその測定結果を次順の合金製造工程に反映させる合
金の製造方法に関し、特に析出型銅合金の製造に好適の
合金の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】金属製品は、例えば、先ず主原料及び添
加材等の原材料を配合し、次に配合した原材料を溶解及
び鋳造して鋳塊を得て、更に、前記鋳塊を圧延プレス加
工等の加工法で加工することにより製造される。鋳塊の
品質は最終製品の性能に大きく影響するため、鋳塊の段
階で品質を向上させる必要があり、そのためには鋳塊の
品質を判定し、その判定結果に基づいて溶解条件及び鋳
造条件の一方又は両方を制御することが必要である。
【0003】従来、鋳塊の品質判定は、鋳塊から採取し
た試料について高温引張り試験、高温衝撃試験、鋳塊断
面のマクロ・ミクロ観察及び欠陥検査(浸透探傷、UT
(超音波)探傷等)等の試験を実施し、その試験結果に
基づいて行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、従来、鋳塊の品質判定を行うためには、鋳塊
の一部を切り出した後、所定の試験片の形状に加工する
必要があると共に、複数の試験を実施する必要があり、
多くの時間と費用とを必要とする。
【0005】また、鋳塊から最終製品を得るまでの間に
設けられた各種加工工程における加工条件の適否及び最
終製品の特性は、ある程度加工が進行した状態でないと
評価できない。従って、従来の鋳塊の品質判定方法にお
いては、鋳塊の品質を判定した結果をその後の工程に反
映させることができず、鋳塊から最終製品を得るまでの
間の初期工程で不良品を摘出除去することができない。
例えば、鋳塊に局所的に残留応力が高い部分があると熱
間加工工程において割れが発生しやすい。しかし、従来
は、残留応力の分布等の情報を得ようとすると測定に時
間がかかるので、測定結果がでるまでの間に鋳塊の製品
加工が進んでしまう。即ち、品質判定結果が出たときに
は、その後の最終製品を得るまでの加工工程で不良品と
なりやすいと判定された鋳塊でも既に次工程に送られて
おり、不良品の発生による生産性の低下及び製造コスト
の上昇を防止することができない。
【0006】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、健全な鋳造材を得るための溶解条件及び/
又は鋳造条件を容易に且つ迅速に得ることができ、この
溶解条件及び/又は鋳造条件をその後の溶解工程及び/
又は鋳造工程に反映させることができると共に、不良品
が発生しやすい鋳塊を摘出除去することができて、生産
性の向上及び製造コストの低減を実現できる合金の製造
方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る合金の製造
方法は、鋳造材の表面又は断面の導電率を測定し導電率
分布パターンを得て、この導電率分布パターンから添加
元素の固溶量及び添加元素の偏析状況を把握し、これら
の知見を次順の鋳造材の原材料の溶解条件及び/又は鋳
造条件設定に利用することを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明においては、合金鋳造材の表面又は断面
の導電率を測定し、例えば同一の導電率の部分を曲線で
結んで導電率等高線図として導電率分布パターンを作製
する。鋳造材の導電率は、添加元素の固溶状態により変
化する。例えば、Cu−Fe合金等の析出硬化型の合金
では、主成分に対する添加元素の固溶限度が高温域で広
く、温度の低下に伴って狭くなる。このような合金では
鋳塊の凝固温度又は熱処理後の冷却速度によって添加元
素の固溶量及び析出量が決まる。即ち、ある程度以上の
速さで冷却した場合は、固溶量の減少が冷却の速さに追
いつかず、合金中の添加元素の固溶量が多くなる。つま
り、冷却速度が速いほど、添加元素の固溶量は増加す
る。
【0009】一方、添加元素の固溶量は鋳造合金の導電
率に大きく影響し、合金の導電率は固溶量が大きければ
低く、逆に固溶量が小さければ高いという関係がある。
従って、鋳塊の表面及び断面等の各部における導電率を
測定して、導電率の分布パターンを例えば2次元的又は
3次元的に導電率等高線図として表すと、鋳造材の受け
た熱履歴、添加元素の偏析状況及び不純物の分布等を容
易に分析することができる。なお、前記導電率測定は複
雑な試料加工等を必要としないため、これらの分析は短
時間で行うことができる。
【0010】図3は、鋳塊断面の導電率等高線図におけ
る導電率分布パターンの例を示す図である。パターン1
で示すように、鋳塊断面の縁部ほど導電率等が低く、内
部に向かうほど導電率が高くなっていると共に、導電率
等高線が略均一な間隔で並んでおり、等高線が小さく閉
じている部分がない場合は、鋳造条件が適正であると判
断することができる。
【0011】パターン2で示すように、等高線が左右対
称でなく、導電率の勾配(以下、単に「勾配」という)
が鋳塊の左右どちらか一方で大きく、等高線が小さく閉
じている部分がある場合は、一次又は二次冷却水の水量
が鋳型の左右で異なっているか、又は溶湯分配機の左右
のバランスが悪く溶湯が図の左側から右側に流れて鋳型
内の温度が不均一であると判断することができる。
【0012】パターン3で示すように、左右どちらか一
方に等高線が小さく閉じている部分が集まっている場合
は、鋳塊の左右で冷却が不均一となっているか、鋳型の
使用中に動的な歪みが発生したか、又は鋳型の繰り返し
使用による静的が歪みが発生したと考えることができ
る。等高線が小さく閉じている部分が集まっている箇所
には、添加元素の成分偏析又はガスの吸蔵が発生してい
ると考えられる。
【0013】パターン4で示すように、鋳塊の幅方向の
中央部で等高線が狭まってくびれている場合は、鋳型両
端の一次冷却が過剰であり、鋳塊の残留応力が高いと判
断することができる。残留応力が局部的に高いと、熱間
加工時の加熱段階で割れが発生することがある。また、
鋳型の形状(長さ及びテーパー等)が合金に合っていな
いため、鋳型と鋳塊シェルとの接触が悪いことも考えら
れる。
【0014】パターン5で示すように、勾配が鋳塊の縁
部で大きく、内側ほど小さくなっている場合は、凝固プ
ールが深くなっており、一次側冷却は良好であるが、二
次側冷却が十分でないか、又は鋳造速度が速すぎると判
断することができる。
【0015】また、導電率が全体的に高い場合は、溶体
化(即ち、添加元素の分散)が十分でなく、時効処理後
の強度が不足することが考えられる。
【0016】このようにして、鋳塊の表面又は断面の導
電率分布のパターンから、以下に示す情報を得ることが
できる。 (1)鋳造用鋳型の材質、形状、一次及び二次冷却条件
等の設計に関する情報。 (2)鋳型の動的変形又は静的変形の有無に関する情
報。 (3)鋳型表面の形状(めっきの有無等)及びフラック
スの挙動に関する情報。 (4)鋳塊中の添加元素の偏析に関する情報。 (5)溶湯温度と吸蔵ガスとの関係に関する情報。 (6)鋳造後の鋳塊中の欠陥、割れの有無及び残留応力
の高低に関する情報。
【0017】これらの情報に基づいて溶解条件及び/又
は鋳造条件を設定することにより、より一層健全な合金
鋳塊を得ることができる。また、この導電率を用いた分
析法は、従来の分析法のように複雑な試料加工等を必要
としないために分析に要する時間が短い。従って、合金
鋳塊が鋳造以降の各種工程に送られる前に材料特性を解
析又はシミュレーションすることができて、不良品が発
生しやすい鋳塊を加工前に除去することができる。これ
により、生産性が向上し、製造コストを低減できる。ま
た、前述の各種情報を、より良い鋳型の設計に利用する
こともできる。
【0018】なお、本発明は前記Cu−Fe系合金以外
にもAl系合金及びFe系合金等の他の析出硬化型の合
金についても適用可能である。また、本発明は、析出硬
化型の合金でなくても、温度変化によって固溶限が変化
する元素をマーカーとして添加した合金に適用すること
もできて、合金の組成等に応じた最適の溶解及び/又は
鋳造条件を得ることができる。
【0019】
【実施例】次に、本発明の実施例について、添付の図面
を参照して説明する。
【0020】図1は、本発明の実施例に係る合金の製造
方法を示すフローチャート図である。先ず、ステップ1
において、合金の種類、鋳造製品の形状及び製造装置の
状態等の製造条件を勘案し、技術的な蓄積に基づいて溶
解及び鋳造条件を決定する。
【0021】次に、ステップ2において、ステップ1で
決定した条件で実際に合金の溶解及び鋳造を実施し、鋳
塊を得る。鋳造は、例えば金属材の量産に一般的に使用
されている連続又は半連続鋳造にて行う。
【0022】次に、ステップ3において、鋳塊の導電率
を測定し、その結果を基に導電率等高線図を製成する。
導電率の測定は、例えば以下に示す方法により行う。
【0023】先ず、鋳塊の表面又は断面を測定面とし、
この測定面を例えば1辺が20mm以下の升目状に区分
して、渦電流式導電率計で各区分領域における導電率を
測定する。導電率測定プローブが単一プローブの場合
は、直径が約5mmの範囲の導電率を測定することがで
きる。単一プローブの場合は、各区分領域の導電率を順
次測定する。また、円板の周縁部に複数のプローブが等
間隔で配設された複合型プローブを使用してもよい。複
合型プローブを使用する場合は、1個又は複数個の複合
型プローブを用い、被測定物の表面を回転させ、連続的
に等間隔に導電率を測定する。
【0024】次いで、導電率測定値から、導電率分布パ
ターンを作製する。即ち、導電率が同一の部分を曲線で
結び、2次元的な導電率等高線図を作製する。また、必
要に応じて、被測定物の深さ方向の等間隔分布の導電率
測定を行い、3次元的な導電率等高線図を作製する。
【0025】次に、ステップ4において、前記導電率等
高線図から鋳塊の品質を判定する。具体的には、例え
ば、予め図3に示すようなパターンを標準パターンとし
て用意しておき、測定により得られたパターンとの比較
により鋳塊の品質を判定する。測定により得られた等高
線図のパターンが図3のパターン1のような場合は、鋳
塊の品質が良好であると判定する。この場合は、ステッ
プ5に進み、熱間圧延を施し、更に各種工程を経てステ
ップ6に進み、最終製品となる。一方、測定により得ら
れた等高線図のパターンが図3のパターン2〜5のよう
な場合は、パターンに応じて溶解条件及び鋳造条件の一
方又は両方を設定し直す。
【0026】本実施例においては、このようにして、合
金鋳塊の導電率の分布パターンから鋳塊の品質を判定
し、その結果に基づいて溶解条件及び/又は鋳造条件を
設定し直すので、極めて健全な合金鋳塊を製造すること
ができる。また、本実施例においては、鋳塊の表面又は
断面の導電率を測定するだけで良いので、従来の引張試
験、衝撃試験及び欠陥検査等の各種検査により鋳塊の品
質を判定する方法に比して、極めて簡単に且つ迅速に合
金の品質を判定することができ、その判定結果を迅速に
溶解条件及び/又は鋳造条件に反映させることができ
る。更に、本実施例においては、残留応力及び添加元素
の固溶状態等を2次元又は3次元的に把握することがで
きるので、鋳塊の品質の判定結果を鋳造以降の工程に反
映させることができる。例えば、局所的に残留応力が高
いところがある鋳塊は、圧延等の工程において割れが発
生しやすいので、このような鋳塊を予め摘出して除去す
ることにより、生産性が向上し、結果的に製造コストを
低減することができる。
【0027】次に、銅合金の製造に本実施例を適用した
例について説明する。高周波溶解炉を使用し、Cu−
2.3重量%Fe−0.03重量%P合金を8トンだけ
溶解し、次いで、厚さが160mm、幅が650mm、
長さが4mの鋳塊を半連続鋳造した。このようにして得
た鋳塊(鋳塊1〜3)の底部及び頭部の組織が定常状態
であることを確認した上で、鋳塊の底部及び頭部から厚
さが30mmの輪切り材を採取した。そして、これらの
輪切り材の断面を1辺が10mmの正方形の升目領域に
区画し、各区画について、渦電流式の導電率計を用いて
導電率を測定した。図2に鋳塊断面の導電率等高線図を
示す。また、下記表1に、これらの導電率等高線図に基
づき、合金の溶解及び鋳造の状態の推定及び条件の判定
を行った結果並びに圧延性及び圧延材の特性予測を行っ
た結果を示す。
【0028】更に、図2と同一の鋳塊を950℃の温度
で厚さ15mmまで熱間圧延した後、冷間圧延及び焼鈍
を実施して厚さが0.25mmの圧延材を形成し、各工
程毎における材料の特性値を測定した。その結果を、表
1に併せて示す。
【0029】
【表1】
【0030】この表1から明らかなように、溶体化が不
足していると判定した鋳塊2の圧延材の引張り強さは4
9.8及び50.8kgf/mm2 であり、鋳塊1の圧
延材の引張り強さ56.4kgf/mm2 よりも低く、
圧延材の特性予測が正しいことを確認できた。また、鋳
塊3は鋳塊割れが発生したため製品加工が不可能であ
り、鋳塊1,2は部分利用又は限定利用が可能である。
このように、本実施例によれば鋳塊断面の導電率の測定
及び導電率等高線図のパターンの特徴から、最適な溶解
及び鋳造条件を決定することができるのに加えて、鋳塊
品質及び製品加工後の材料特性を迅速に予測できるとい
う効果を奏する。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る合金の
製造方法は、合金鋳塊の表面又は断面の導電率を測定
し、導電率分布パターンを得て、この導電率分布パター
ンを基に原材料の溶解条件及び/又は鋳造条件を設定し
直すから、組成等に応じた最適の溶解条件及び/又は鋳
造条件を迅速に得ることができると共に、鋳塊品質の良
否及び製品加工後の材料特性を予測することができる。
従って、本発明は、溶解条件及び/又は鋳造条件を迅速
に最適のものに変更してそれ以後の不良品の発生を防止
できると共に、不良品と判定したものは初期工程でその
摘出除去が可能であり、圧延工程及び他の製品加工工程
での歩留まりを向上させることができるので、生産性の
向上、効率化及び製品のコストダウンに極めて有用であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る合金の製造方法のフロー
チャート図である。
【図2】同じく本発明の実施例に係る合金の製造方法に
より得た導電率等高線図である。
【図3】導電率等高線図の例を示す図である。
【符号の説明】
1,2,3,4,5,6;ステップ
フロントページの続き (72)発明者 大迫 淳一 山口県下関市長府港町14番1号 株式会 社神戸製鋼所長府製造所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 1/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋳造材の表面又は断面の導電率を測定し
    導電率分布パターンを得て、この導電率分布パターン
    ら添加元素の固溶量及び添加元素の偏析状況を把握し、
    これらの知見を次順の鋳造材の原材料の溶解条件及び/
    又は鋳造条件設定に利用することを特徴とする合金の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 原材料を溶解して溶湯を得る工程と、こ
    の溶湯を鋳造して鋳造材を得る工程と、この鋳造材の表
    面又は断面の導電率を測定し導電率分布パターンを得る
    工程と、この導電率分布パターンから添加元素の固溶量
    及び添加元素の偏析状況を把握し、これらの知見を次順
    の鋳造材の原材料の溶解条件及び/又は鋳造条件設定
    に利用する工程と、前記溶解条件及び/又は鋳造条件で
    溶解し及び/又は鋳造する工程とを有することを特徴と
    する合金の製造方法。
  3. 【請求項3】 銅合金の製造に適用されるものであるこ
    とを特徴とする請求項1又は2に記載の合金の製造方
    法。
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