JP4472933B2 - 時効硬化性銅合金の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベルト鋳造装置のための側部せき止め部のためのブロックを製造するための材料としての時効硬化性銅合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間成形および／または冷間成形の各段階を節約するために、半製品をできるだけ最終寸法に近似して鋳造するという世界的目的、特に鉄工業および銅工業における慨目的で既に１９７０年より以前に、２つの平行して送られるベルトの間隙で金属溶融物を凝固させるいわゆるハゼレット（Ｈａｚｅｌｅｔｔ）ベルト鋳造装置が開発されてきた。側部せき止め部（Ｓｅｉｔｅｎｄａｍｍｅ）は、例えば米国特許第３，８６５，１７６号明細書から公知のベルト鋳造装置の場合には、柔軟性のある例えば鋼鉄製のエンドレスベルト上に配列されそして鋳造用ベルトと同時に長手方向に動く、Ｔ型ナットのある金属製の型用−または側部せき止め部用ブロックよりなる。側部せき止め部（せき止め用ブロック）はこの場合、鋳造用ベルトによって形成された鋳造型空洞を囲っている。
【０００３】
更にヨーロッパ特許出願公開（Ａ１）第０，９７４，４１３号明細書からはベルト鋳造装置のための、みぞ形を有するブロックで形成された側部せき止め部連鎖が公知である。このみぞ形を有する更に発展された鋳造用ブロックの長所は鋳造工程でのブロックの正確な位置合わせおよび案内にあり、鋳造されるストランドの表面品質を改善する。ブロックの側部縁が可塑変形およびヒビ割れ発生により時期尚早に摩耗するのを避けるために、適当な材料が高い硬度および強度、微細粒組織および良好な長期耐軟化性を有していなければならない。液状金属溶融物から凝固熱を搬出するために、更に鋳型ブロック材料は更に高い熱伝導性を必要とする。
【０００４】
更に、鋳造期間の経過後、ブロックを再冷却する際に生じる熱応力が、鋼鉄製ベルトを受け入れるために組み入れられるＴ型ナットの縁でのブロックのひび割れをもたらさないことを保証する、材料の最適な疲労挙動が非常に重要である。この場合、特に高い熱応力が、不所望の幾何学的形状および重量分布に依存して、みぞ形を有する形態での側部せき止め部の場合に予想される。
【０００５】
熱衝撃によって引き起こされるこの様なひび割れが生じる場合には、既に短時間の後に、ベルト鋳造装置の側部せき止め部連鎖から当該鋳型ブロックが転がり落ち、その際に溶体金属が鋳造型空洞から無制御的に流れ出しそして装置部品を損傷させ得る。損傷した鋳型ブロックを交換するためにベルト鋳造装置全体を止めそして鋳造工程を中止しなければならない。
【０００６】
ヒビ割れ傾向を評価するには、鋳型ブロックを５００℃での２時間熱処理に付しそして次に２０〜２５℃の水中で急冷する試験方法が有利であることがわかっている。この熱衝撃を何度も繰り返した場合にも適する材料の場合にはＴ型ナット表面にひび割れが生じない。
【０００７】
ヨーロッパ特許（Ｂ１）第０，３４６，６４５号明細書には、１．６〜２．４％のニッケル、０．５〜０．８％の珪素、０．０１〜０．２％のジルコニウム、選択的に０．４％までのクロムおよび／または０．２％までの鉄、製造に起因する不純物を含めた残量の銅よりなる持効硬化性銅ベース合金が開示されている。この公知の銅合金は、ベルト鋳造装置の側部せき止め部の標準鋳型ブロックの製造用材料として使用する場合に、原則として長い耐用期間のために前提条件を満足している。この銅合金のためには以下の性質群が挙げられる：
２０℃でのＲｍ： ６３５〜６６０ＭＰａ
５００℃でのＲｍ：２８６〜３７２ＭＰａ
ブリンネル硬度：１８５〜１９１ＨＢ（約１９５〜２１０ＨＶに相当する）
導電性： ４１．４〜４３．４％ＩＡＣＳ
熱衝撃の際にひび割れが生じない。ベリリウム含有銅ベース合金に比べての長所は、研磨屑中にベリリウムが含まれないために、鋳型ブロックを手を用いて乾燥状態で更に研磨することを可能とする。みぞ型を有する使用される側部せき止め用ブロックの後加工は多大な費用がかかりそしてＴ型ナットおよび（例えば密封された空洞中の）鋳造表面を機械的な（湿式）洗浄が一般に必要とされる。それによって研磨屑の放出が抑制される。かゝる条件のもとではベリリウム含有合金を使用することが原則として可能である。
【０００８】
しかしながらヨーロッパ特許（Ｂ１）第０，３４６，６４５号明細書に記載されたＣｕＮｉＳｉＺｒ−合金よりなる側部せき止め用ブロックはベルト鋳造装置を駆動する際に非常に高い機械的および熱的負荷の他に側部縁部および鋳造表面を時期尚早に摩耗される傾向がある。この摩耗は、試験結果からわかる通り、１６０ＨＶ以下の値に鋳造縁および−表面の材料が軟化することに起因している。更に公知のＣｕＮｉＳｉＺｒ−合金の耐熱衝撃性はみぞ型を有する側部せき止め用ブロックとして使用する場合に、鋳込の際にＴ型ナットにひび割れが発生するのを有効に抑制するのに、かならずしも十分でない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術から出発して、早い鋳造速度の場合でも交番的温度負荷に対して鈍感でありそして高い耐摩耗性および耐軟化性並びにＴ型ナットでのひび割れ発生に対して大きな耐久性を有する持効硬化性銅合金をベルト鋳造装置、特にみぞ型のそれの側部せき止め用ブロックを製造するための材料として使用することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の特徴的構成要件によって解決される。
【００１１】
１．２〜２．７重量％のコバルト、０．３〜０．７重量％のベリリウム、０．０１〜０．５重量％のジルコニウム、選択的に０．００５〜０．２重量％のマグネシウムおよび／または鉄、および製造に起因する不純物および通例に使用される加工用添加物を含めた残量の銅よりなる銅ベース合金を使用することによって、一方では高い強度、硬度および導電性を達成するために材料の十分な時効硬化性が保証される。もう一方においては十分な塑性を有する微細粒の組織を調整するために最大４０％までの相対的に少ない冷間成形しか必要としない。意図して段階分けされたジルコニウムを含むことによって耐疲労性並びに熱間強度特性が改善される。
【００１２】
側部せき止め用ブロックの機械的性質の更なる改善、特に抗張力の向上は、請求項２に従って、銅合金が１．８〜２．４重量％のコバルト、０．４５〜０．６５重量％のベリリウム、０．１５〜０．３重量％のジルコニウム、０．０５重量％までのマグネシウムおよび／または０．１重量％までの鉄を含有することによって達成される。
【００１３】
本発明は、請求項３の特徴的構成要件に相応して、銅合金がコバルト含有量の８０％までがニッケルに交換されていてもよい。
【００１４】
側部せき止め用ブロックの機械的性質の更なる改善は、銅合金がニオブ、タンタル、バナジウム、ハフニウム、クロム、マンガン、チタンおよびセリウムを含む群の少なくとも１種類の元素を最大０．１５重量％含有した場合に達成され得る。同様にホウ素、リチウム、カリシウム、アルミニウムおよびリンの様な通例の脱酸剤を、本発明の銅合金の機械的性質にマイナスの影響を及ぼすことなしに使用することができる。
【００１５】
別の実施態様の一つ（請求項４）によれば、ジルコニウム含有量の一部をセリウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、クロム、マンガンおよびチタンを含む群からの０．１５重量％までの少なくとも１種類の元素に交換することもできる。
【００１６】
本発明の銅合金よりなる二本ベルト鋳造装置の側部せき止め用ブロックを請求項５に従って、鋳造、熱間成形、４０％までの程度を冷間成形、８５０〜９７０℃の温度範囲内での溶体化処理並びに４００〜５５０℃で０．５〜１６時間の時効硬化処理の各方法段階によって製造するのが有利である。
【００１７】
銅合金を請求項６に従って、熱間成形後に５〜３０％程度の冷間成形するのが特に有利であり得る。
【００１８】
側部せき止め用ブロックが硬化した状態で請求項８および９に従って少なくとも６５０ＭＰａ、好ましくは７００〜９００ＭＰａの抗張力、少なくとも２１０ＨＶ、好ましくは２３０〜２８０ＨＶのビッカース硬度、少なくとも４０％ＩＡＣＳ、好ましくは４５〜６０％のＩＡＣＳの導電性、５００℃で少なくとも４００ＭＰａ、好ましくは少なくとも４５０ＭＰａの熱間抗張力、５００℃で５００時間貯蔵した後に１６０ＨＶの最小硬度および０．５ｍｍのＡＳＴＭ Ｅ１１２に従う最大粒度を有する場合が特に有利である。
【００１９】
側部せき止め用ブロックは、銅合金が請求項１０に従って硬化した状態でＡＳＴＭ Ｅ１１２に従って測定される３０〜９０μｍの粒度を有する場合が特に有利である。
【００２０】
請求項５に記載の方法段階の順序で、熱間成形および溶体化処理の際に公知のＣｕＣｏＢｅ合金によって観察される悪い再結晶挙動を排除することが驚く程に簡単に達成される。この悪い再結晶挙動は、熱間成形され、溶体化処理されそして時効硬化した状態のＣｕＣｏＢｅ合金よりなる鋳型ブロックを製造する際に１ｍｍ以上までの粗粒を有する用途目的に適合しない組織構造をもたらす。しかしながらこの材料を熱間成形と溶体化処理との間に最大４０％まで、この最大１５％までの冷間成形に付した場合に、この追加的な加工段階は著しく微細粒化した組織構造をもたらす。相応する一連の試験で、再結晶化温度以下で冷間成形しそして次いで溶体化処理されているベルト鋳造用装置の側部せき止め用の鋳型ブロックの材料が０．５ｍｍ以下の粒度の著しく細かい組織構造を有し、他方約４０％以上の大きい冷間成形度が１ｍｍ以上の粒度を有する二次的再結晶によって結晶粒粗大化をもたらす。
【００２１】
本発明を以下に更に詳細に説明する。３つの本発明の合金（Ａ、ＢおよびＣ）および３つの比較用合金（Ｄ、ＥおよびＦ）によって、本発明の銅合金の長所を実証する。重量％で示す銅合金の組成を以下の表１に示す。
【００２２】
表１：

合金Ｄの組成は公知のＣｕＮｉＳｉ−ベース合金であり、合金ＥおよびＦは標準化されたＣｕＣｏ２Ｂｅ−およびＣｕＣｏＮｉＢｅ−材料である。
【００２３】
全部の銅合金をるつぼ型誘電炉で溶融しそして連続鋳造法で鋳造して２８０ｍｍの直径を有する丸型ブロックを得る。実施例Ａ、ＢおよびＣの合金の丸型ブロックを９００℃以上の温度で押出成形して７９×５９ｍｍの寸法を有する板状ストランドを得、次いで１２％の断面積減少させて７５×５５ｍｍの寸法に押出成形する。比較例Ｄ、ＥおよびＦの合金ブロックは同じ温度で，７５×５５ｍｍの寸法に押出成形しそして追加的な冷間成形に付さない。ＣｕＣｏＢｅ−およびＣｕＣｏＮｉＢｅ−材料を次いで９００〜９５０℃で容体化処理しそして４５０〜５５０℃の温度範囲内で０．５〜１６時間にわたって時効硬化させる。
【００２４】
ＣｕＮｉＳｉ−ベース合金は８００〜８５０℃で容体化処理しそして同じ条件で時効硬化させる。時効硬化した状態で抗張力Ｒｍ、ビッカート硬度ＨＶ１０、導電性（熱間電導性の代用の目安として）、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に従う粒度、５００℃での耐熱性Ｒｍおよび５００℃で５００時間の期間保存した後のビッカース硬度測定（ＨＶ１０）による耐軟化性を測定する。
【００２５】
次いで７０×５０×４０ｍｍの寸法の鋳型ブロック（１）および７０×５０×４７ｍｍの寸法のみぞ形を有する鋳型ブロック（２）について熱衝撃を測定する。この目的のために鋳型ブロックを最初に５００℃で２時間焼き鈍し、次いで２０〜２５℃の水中で急冷する。次にブロックのＴ形ナットを裸眼でそして１０倍に拡大して顕微鏡でひび割れを調べる。
【００２６】
全部の試験結果を以下の表２に総括掲載する：

Ｔ形ナットで確認されたヒビの程度は２〜５ｍｍの場合に“ヒビあり”と分類し、個々の場合には１０ｍｍまでのヒビの長さがあった。比較することで、材料ＥおよびＦに比較して追加的に本発明に従って僅かな冷間成形を用いて製造された銅合金Ａ、ＢおよびＣだけが、みぞ形を有する鋳型ブロックとして使用する場合に驚くほど一様でかつ微細な組織およびヒビ割れ発生に対して必要とされる耐久性を有することがわかる。通例の鋳型ブロックとして使用する場合にも本発明の銅合金は公知のＣｕＮｉＳｉ−ベース合金Ｄに比べて明らかに良好な耐軟化性および合金ＥおよびＦに比較して幾らか良好な耐軟化性を有する。
【００２７】
それ故に本発明の銅合金は、ベルト鋳造装置の側部せき止めのための、鋳造過程で交番熱負荷に付される典型的なあらゆる鋳型ブロックを製造するための材料として卓越的に適している。このものは従来に使用されている鋳型ブロック並びにヨーロッパ特許出願公開（Ａ１）第０，９７４，４１３号明細書に従うみぞ形の態様の鋳型ブロックである。

Claims (2)

1. コバルト含有量の８０重量％までがニッケルに交換されている１．２〜２．７重量％のコバルト、０．３〜０．７重量％のベリリウム、０．０１〜０．５重量％のジルコニウム、製造に起因する不純物を含めた残量の銅よりなる時効硬化性銅合金を
   − 熱間成形された成形物を５〜３０％だけ冷間成形し、
   − ５〜３０％冷間成形された成形体を８５０〜９７０℃の温度範囲内で溶体化処理し、− ４００〜５５０℃で０．５〜１６時間、時効硬化処理に付し
   の各方法段階に付し：そして時効性硬化した状態で
   − 少なくとも６５０ＭＰａの抗張力、
   − 少なくとも２１０ＨＶのビッカース硬度、
   − 少なくとも４０％ＩＡＣＳの導電性、
   − ５００℃で少なくとも４００ＭＰａの熱間抗張力、
   − ５００℃で５００時間貯蔵した後に１６０ＨＶの最小硬度および
   − ＡＳＴＭ １１２に従い測定された０．５ｍｍの最大粒度を有する
   ことを特徴とする、ベルト鋳造装置の側部せき止め部のためのブロックを製造するための材料としての時効硬化性銅合金の製造方法。
2. １．８〜２．４重量％のコバルト、０．４５〜０．６５重量％のベリリウム、０．１５〜０．３重量％のジルコニウム、製造に起因する不純物を含めた残量の銅を含有しており、熱間成形の後に１０〜１５％の冷間成形を伴う請求項１に従う方法段階に付しそして時効性硬化した状態で
   − ７００〜９００ＭＰａの抗張力、
   − ２３０〜２８０ＨＶのビッカース硬度、
   − ４５〜６０％ ＩＡＣＳの導電性、
   − ５００℃で少なくとも４５０ＭＰａの熱間抗張力および
   − ５００℃で５００時間貯蔵した後に１６０ＨＶの最小硬度を有し、
   − ＡＳＴＭ Ｅ１１２に従って測定される３０〜９０μｍの粒度を有する
   請求項１に記載の製造方法。