JP3040768B1 - 鋳造欠陥、偏析および酸化物の含有を抑制した銅合金鋳塊の製造方法 - Google Patents
鋳造欠陥、偏析および酸化物の含有を抑制した銅合金鋳塊の製造方法Info
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Abstract
湯も僅かに済みながら、鋳造欠陥、偏析および酸化物の
含有を抑制した健全な銅合金鋳塊が低価に製造すること
のできる有用な方法を提供する。 【解決手段】 銅合金鋳塊を製造するに当たり、黒鉛坩
堝中で銅合金原料を溶解した後、該坩堝内で溶湯を底部
から急冷して一方向凝固させる。
Description
よび酸化物の含有を抑制し、高品質で健全な銅合金鋳塊
を製造する為の有用な方法に関するものである。
素に起因するピンホールを抑えた銅合金鋳塊の製造の為
に、従来から真空溶解鋳造法が採用されてきた。また、
マクロ引け(中心引けや最終引け)、ミクロ引け(結晶
粒界に顕微鏡オーダで認めされる引け)、および成分偏
析等の発生を極力抑えた健全な鋳塊とする為に、真空中
またはアルゴンガス中で方向性凝固する様な、様々な工
夫もなされている。これらの技術における共通した作業
手順としては、銅合金原料を坩堝で溶解してから別の容
器(鋳型)に注湯し、そこで冷却凝固させるのが一般的
である。
の溶解・鋳造法では、作業性、生産性が悪く、溶湯温度
の管理が繁雑、鋳型の冷却性に制約があって押湯が大き
くなる、設備投資が高額になる等の問題があり、製造コ
ストが高くなっていた。また、これらの制約を軽減する
為に大気溶解しようとすると、注湯時に酸化物の巻き込
み等が生じるという問題があった。
の下でなされたものであって、その目的は、作業性、生
産性が良く、溶湯管理が簡易で押湯も僅かに済みなが
ら、鋳造欠陥、偏析および酸化物の含有を抑制した健全
な銅合金鋳塊を低コストに製造することのできる方法を
提供することにある。
発明方法とは、銅合金鋳塊を製造するに当たり、銅合金
原料の溶解時に黒鉛坩堝内をアルゴンガスシールドする
と共に、溶解開始後は、炭素小片若しくは炭素粉末また
は炭素系フラックスで溶湯表面を覆い、前記黒鉛坩堝中
で銅合金原料を溶解した後、該坩堝内で溶湯を底部から
急冷して一方向凝固させる点に要旨を有するものであ
る。
ガスバブリングを行なうことも有効であり、こうしたア
ルゴンガスバブリングを行なうに当たり、炭素小片若し
くは炭素粉末または炭素系フラックスよりも脱酸力の強
い元素を合金成分として含有させる場合には、アルゴン
ガスバブリングが終了してから前記合金成分を添加する
ことが好ましい。
方向に変化させながら、坩堝内の溶湯の冷却凝固を実施
したり、更にこの冷却凝固時に電磁攪拌を行なうこと
も、鋳塊を方向性凝固させるという観点から有効であ
る。
るという観点から、様々な角度から検討を重ねてきた。
その結果、銅合金原料の溶解時に黒鉛坩堝内をアルゴン
ガスシールドすると共に、溶解開始後は、炭素小片若し
くは炭素粉末または炭素系フラックスで溶湯表面を覆
い、前記黒鉛坩堝中で銅合金原料を溶解した後、該坩堝
内で溶湯を底部から急冷して一方向凝固させる様にすれ
ば、酸化物の巻き込み防止、ガス吸収防止および内部品
質の改善がはかれ、上記目的が見事に達成されることを
見出し、本発明を完成した。
られた理由については、その全てを解明し得た訳ではな
いが、おそらく転湯せずにそのまま凝固させることで還
元雰囲気を確実に保ち、酸素等の混入、反応を防ぐため
と考えることができた。
鉛坩堝内をアルゴンガスシールドすると共に、溶解開始
後は、炭素小片若しくは炭素粉末または炭素系フラック
スで溶湯表面を覆うことも重要である。こうした構成を
採用することによって、水分を含む大気と溶湯との遮断
を図って溶湯周囲における還元性雰囲気を達成し、水素
の吸収を抑制しつつ酸化物の生成を防ぐことができるの
である。
系フラックスで溶湯表面を被えば、坩堝内壁にこれらの
一部が付着することもあるが、こうした事態に対処する
ため、溶解完了後にアルゴンガスバブリングを行ない、
脱ガスを兼ねて炭素小片若しくは炭素粉末または炭素系
フラックスの浮上分離を図るのである。
ては、代表的なものとして、Snを13〜15.8%程
度含み残部がCuである様な超電導銅合金ビレットが挙
げられるが、こうした銅合金には必要によって、超電導
特性の向上という観点から、Ti等の炭素よりも強い脱
酸力を持つ物質を少量(例えば、0.3%以下)添加す
ることもある。そしてこの物質は、炭素小片若しくは炭
素粉末または炭素系フラックスよりも脱酸力の強い元素
であるので、本発明方法においてアルゴンガスバブリン
ブを行なうときに、このバブリンブよりも先にこうした
元素を添加すると、アルゴンガス中に微量に含まれる酸
素や水分とこの元素が反応、酸化してバブリングと共に
溶銅表面に浮上してしまい、その添加効果が有効に発揮
されないことがある。こうした不都合を回避するという
観点から、Ti等の様に酸化力の強い元素を合金成分と
して添加させる場合には、上記アルゴンガスバブリング
が終了してから添加するのが良い。
を底部から急冷して一方向凝固するに当たっては、坩堝
と冷却水噴霧(以下、「シャワーリング」と呼ぶことが
ある)の相対的位置を一方向に変化させながら、坩堝外
壁にシャワーリングを行なうことによって、坩堝内の溶
湯の冷却凝固を行なうことが好ましい。これによって、
銅合金溶湯の方向性凝固が達成されてマクロ引けの発生
が防止できると共に、熱伝導の良好な黒鉛坩堝を通する
効果的な溶湯の冷却によって、ミクロ引け、ピンホー
ル、偏析等の発生を最小限に抑制することができ、しか
も組織的にも微細な健全鋳塊を製造することができる。
こうした方法における具体的な構成としては、シャワー
装置によって噴射した冷却水中に、合金溶湯に入った黒
鉛坩堝を下降させたり、或いは静置した坩堝外周にシャ
ワー装置を上昇させる構成等が挙げられる。
の冷却凝固時にシャワーリングされている凝固界面上方
に電磁攪拌を加えることも有効であり、これによって当
該領域における溶湯の湯運動を活発にし、ミクロ引けや
偏析の発生を更に低減することができると共に、組織を
より細かくすることができる。
は、特に限定するものではなく、前記したCu−13〜
15.8%Sn合金(必要により、少量のTi等を添
加)の他、一般用の各種青銅合金等が挙げられる。尚、
上記Cu−Sn系銅合金では、従来の鋳造法では、上記
した各種の欠点によってSnの添加量が14質量%程度
までに限られていたのであるが、本発明方法によれば偏
析等の防止を図ることによって、合金元素の添加量を固
溶限界近くまで高めることができるという効果も得られ
る。
す様に、α固溶体へのSn固溶限は15.8質量%程度
であり、従来の方法によれば偏析等が生じることによっ
て、Sn添加量が14質量%程度までに限られていたの
であるが、本発明によればこうした不都合が回避できる
ことによって、Sn添加量を15.5質量%と固溶限に
できるだけ近い範囲まで高めることができるのである。
またこれによって、Sn添加による作用である超電導特
性がより一層高められるのである。
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の趣旨に特徴して設計変更すること
はいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
尚、以下では本発明方法を「水田方式」と呼ぶことがあ
る。
る鋳造設備の構成例を示す概略説明図であり、図中1は
黒鉛坩堝、2は高周波コイル、3は断熱スリーブ、4は
シャワー装置を、夫々示す。尚、シャワー装置には、そ
れに関連して、貯水タンク5、ポンプP1,P2、電動
式バルブM1,M2、流量調整用バルブV1〜18、リ
ング状態の噴射ノズル8(この図では、15個)、等が
設けられている。そして、このシャワー装置4によっ
て、貯水タンク5中の水(冷却水)をポンプP1,P2
によって汲み上げ、その後電動式バルブM1,M2、流
量調整用バルブV1〜18等の調節によって流量を調整
しつつ、噴射ノズル8から冷却水を噴射する様に構成さ
れている。
ないが、前記黒鉛坩堝1にはこれに関連して、油圧シリ
ンダーが設けられており、この油圧シリンダーから延び
るロットの先端に、耐熱セメントで作った支持台が固定
されており、この支持台の上に黒鉛坩堝1を載置して、
油圧シリンダーを伸縮することによって、黒鉛坩堝1が
上昇・降下できる様に構成されている。そして、この油
圧シリンダーは、坩堝支持台の位置(即ち、黒鉛坩堝1
の底の位置)が高周波コイル上部まで上昇する一方、黒
鉛坩堝1の上部がシャワー装置4の最上部より少し下に
なるまで下降するだけのストローク(図中このストロー
クを距離Lで示す)を確保する様にされている。
施する手順について説明する。まず、黒鉛坩堝1を適当
な高さまで引き上げ(このときの坩堝上端部位置を符号
Aで示す)、純銅や純錫を規定重量(例えば、純錫の割
合が13〜15.5質量%となる様に)装入し、坩堝を
高周波コイル2内に下げ、高周波加熱して溶解を開始す
る(溶解開始のときの坩堝上端部位置を、図2中符号B
で示す)。
てから、純銅が溶け始めるまで黒鉛坩堝1には上蓋(図
示せず)を被せておき、アルゴンガスで坩堝内および周
囲をシールし、純銅が溶け始めたら上蓋を除いて原料表
面に炭素粉末(または炭素系フラックス)を散布し、以
後は炭素小片若しくは炭素粉末等による還元性雰囲気中
で大気と溶湯を遮断し、時々炭素小片や炭素粉末等を補
充しながら原料の全量を溶解させる。
温をチェックしながら、水冷時に最終凝固部手前まで十
分押湯効果が作用するように、また過熱し過ぎて水素を
多量に吸蔵してしまわないようにするという観点から
(凝固開始温度+100℃)まで昇温して加熱を完了す
る。次に、黒鉛パイプを使ってアルゴンガスを適正な流
量で数分間バブリングして坩堝内壁に付着した炭素小片
や炭素粉末を十分に浮上させる。バブリンブ終了後、必
要によってTi等の合金元素(第3元素)を、溶湯中に
押し込んで溶解させた後、数分間沈静して第3元素を溶
湯中に拡散させる。
つ、シャワー装置4の噴射口から冷却水を噴射させ、下
降しつつある黒鉛坩堝の外壁を強力に水冷する(冷却開
始のときの坩堝上端部位置を、図2中符号Cで示す)。
このとき必要によって、高周波パワーを加えて溶湯を電
磁攪拌し、溶湯凝固界面近傍を湯運動させながら、凝固
させるとミクロ引けは一段と少なく、また組織も細かく
なり、錫の逆偏析もより少なくなるので好ましい。そし
て、黒鉛坩堝内の銅合金の全ての冷却・凝固が完了した
時点で冷却を終了する(このときの坩堝上端部位置を、
図2中符号Dで示す)。
噴射した冷却水中に、銅合金溶湯の入った黒鉛坩堝を下
降させる構成について示したけれども、この設備構成は
図2に示したものに限らず、静置した坩堝外周をシャワ
ー装置が上昇する構成でも良く、要するに坩堝と冷却水
噴霧の相対的位置を一方向に変化させる様な構成であれ
ば良い。
きの凝固組織の一例を図3〜5(図面代用顕微鏡写真)
に示す。これらの図は電磁攪拌を行なわなかったときに
得られた銅合金鋳塊(Cu−14%Sn−0.3%Ti
鋳塊:180φ×700mm)の底部から600mm高
さ位置におけるミクロ組織(倍率100倍)であり、図
3は145φ径方向位置のもの、図4は72径方向位置
のもの、図5は中心部のものを夫々示す。尚、これらの
組織は引け巣が認められた部分での組織を観察したもの
であるが、引け巣は全体的に僅かに認められる程度であ
る。また、図には示さないが、150mmの高さ位置に
おいても類似の組織を示してした。従って、底部付近を
除いて、どの高さ位置においても同様の組織になってい
ると判断できる。
径:180mm、長さ:700mmの大きさの銅合金鋳
塊を鋳造したときに、電磁攪拌の有無が錫の逆偏析に与
える影響について調査した。その結果を、図6に示す。
尚、図中●印は電磁攪拌を行なったとき、×印は電磁攪
拌を行なわなかったときの結果を示したものであり、図
6(a)は鋳塊底部から150mm高さ位置、図6
(b)は鋳塊底部から300mm高さ位置、図6(c)
は鋳塊底部から450mm高さ位置、図6(d)は鋳塊
底部から600mm高さ位置、の夫々の位置で測定した
ものである。また、図6の分析位置(径方向位置)の
〜は、:145mmφ、:115mmφ、:7
2mmφ、:36mmφ、:0mm(中心部)、を
夫々示す。
拌しながら凝固させることは、偏析の抑制に有効である
ことがわかる。
塊(Cu−14%Sn−0.3%Ti鋳塊:180φ×
700mm)の凝固組織の一例を図7〜9(図面代用顕
微鏡写真)に示す。これらの図は、底部から600mm
高さ位置におけるミクロ組織(倍率100倍)であり、
図7は145φ径方向位置のもの、図8は72径方向位
置のもの、図9は中心部のものを夫々示す。尚、これら
の図から明らかな様に、前記図3〜5に比べて引け巣は
更に抑えられており、また鋳造組織も細かくなっている
ことが分かる。
によって巻き込まれたTi酸化物を含む銅合金鋳塊(C
u−14%Sn−0.3%Ti鋳塊)の組織を示す図面
代用顕微鏡写真であり、図10は二次電子像、図11は
C−Kα像、図12はTi−Kα像、図13はO−Kα
像を夫々示す。また、図14〜16は従来方法による金
型鋳造によって製造した銅合金鋳塊(Cu−14%Sn
−0.3%Ti鋳塊)中に生じたマクロ引け巣を示す図
面代用顕微鏡写真であり、図14は底部から200高さ
位置のもの、図15は底部から340mm高さ位置のも
の、図16は底部から470mm高さ位置のものを夫々
示す。
造される銅合金鋳塊が図10〜16に示す欠陥を持つ従
来方法と比べて組織的に改善されていることが分かる。
法)による180mmφ×700mmの銅合金鋳塊にお
ける規格断面(0mm,150mm,300mm,45
0mmおよび600mmの夫々の高さ)での分析値に基
づく中心からの距離と高さでの錫の濃度分布を示すグラ
フであり、図17は13%Snのもの、図18は14%
Snのもの、図19は15%Snのものを夫々示す。
0mmφ×700mmの銅合金鋳塊における規格断面
(0mm,150mm,300mm,450mmおよび
600mmの夫々の高さ)での分析値に基づく中心から
の距離と高さでの錫の濃度分布例を示すグラフ(いずれ
も15%Snのもの)である。
業性、生産性が良く、溶湯管理が適切で押湯も僅かに済
みながら、鋳造欠陥、偏析および酸化物の含有を抑制し
た健全な銅合金鋳塊が低価に製造することのできる有用
な方法が実現できた。
発明の水田方式によれば、錫の偏析も従来法に比べて大
きく改善されていることが分かる。
置の構成例を示す概略説明図である。
たときのミクロ組織例(145φ径方向位置のもの)を
示す図面代用顕微鏡写真である。
たときのミクロ組織例(72径方向位置のもの)を示す
図面代用顕微鏡写真である。
たときのミクロ組織例(中心部のもの)を示す図面代用
顕微鏡写真である。
いて調査した結果を示したグラフである。
組織例(145φ径方向位置のもの)を示す図面代用顕
微鏡写真である。
組織例(72φ径方向位置のもの)を示す図面代用顕微
鏡写真である。
組織例(中心部のもの)を示す図面代用顕微鏡写真であ
る。
化物を含む銅合金鋳塊の組織(二次電子像)を示す図面
代用顕微鏡写真である。
化物を含む銅合金鋳塊の組織(C−Kα像)を示す図面
代用顕微鏡写真である。
化物を含む銅合金鋳塊の組織(Ti−Kα像)を示す図
面代用顕微鏡写真である。
化物を含む銅合金鋳塊の組織(O−K像)を示す図面代
用顕微鏡写真である。
鋳塊中に生じたマクロ引け巣(底部から200mm高さ
位置のもの)を示す図面代用顕微鏡写真である。
鋳塊中に生じたマクロ引け巣(底部から340mm高さ
位置のもの)を示す図面代用顕微鏡写真である。
鋳塊中に生じたマクロ引け巣(底部から470mm高さ
位置のもの)を示す図面代用顕微鏡写真である。
の分析値に基づく中心からの距離と高さでの錫の濃度分
布を示すグラフ(13%Snのもの)である。
の分析値に基づく中心からの距離と高さでの錫の濃度分
布を示すグラフ(14%Snのもの)である。
の分析値に基づく中心からの距離と高さでの錫の濃度分
布を示すグラフ(15%Snのもの)である。
での分析値に基づく中心からの距離と高さでの錫の濃度
分布例を示すグラフ例(15%Snのもの)である。
での分析値に基づく中心からの距離と高さでの錫の濃度
分布例を示す他のグラフ例(15%Snのもの)であ
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 銅合金鋳塊を製造するに当たり、銅合金
原料の溶解時に黒鉛坩堝内をアルゴンガスシールドする
と共に、溶解開始後は、炭素小片若しくは炭素粉末また
は炭素系フラックスで溶湯表面を覆い、前記黒鉛坩堝中
で銅合金原料を溶解した後、該坩堝内で溶湯を底部から
急冷して一方向凝固させることを特徴とする鋳造欠陥、
偏析および酸化物の含有を抑制した銅合金鋳塊の製造方
法。 - 【請求項2】 溶解完了後、溶湯に対してアルゴンガス
バブリングを実施する請求項1に記載の製造方法。 - 【請求項3】 アルゴンガスバブリングが終了してか
ら、炭素小片若しくは炭素粉末または炭素系フラックス
よりも脱酸力の強い元素を添加する請求項2に記載の製
造方法。 - 【請求項4】 坩堝と冷却水噴霧の相対的位置を一方向
に変化させながら、坩堝内の溶湯の急冷凝固を行なう請
求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。 - 【請求項5】 坩堝内溶湯の冷却凝固時に電磁攪拌を行
なう請求項4に記載の製造方法。
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