JP5343856B2 - 銅合金線製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶解炉からの溶銅に鉄等の難溶性元素及びリンを添加し、これを連続的に鋳造しながら圧延してリン含有銅合金線を製造する方法に関する。
本願は、２００７年１０月１６日に、日本に出願された特願２００７−２６９０１８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

鉄リン含有銅合金線は、耐磨耗性に優れており、鉄道用トロリ線等への適用により、張替え頻度の減少等、ランニングコストを削減することができる。
この鉄リン含有銅合金線の製造方法として、特許文献１に記載の連続鋳造法がある。
この特許文献１に記載の製造方法は、銅原料を溶解するシャフト炉から出湯された溶銅を保持炉内で非酸化性雰囲気内で一時保持した後、脱ガス処理装置によって溶銅から酸素ガス、水素ガスを除去する。次いで加熱炉によって溶銅を高温に加熱しながら第１の合金元素を添加する。その後、該溶銅を、樋を経由してタンディッシュまで移送し、該タンディッシュにおいて第２の合金元素を添加する。この第１の合金元素として鉄を添加し、第２の合金元素としてリンを添加することにより、鉄リン含有銅合金を製造することができる。そして、タンディッシュから溶銅を黒鉛鋳型内に供給して鋳塊を製造し、その後、この鋳塊を押出し加工して銅合金線とする。

一方、鋳造から圧延までを一貫して行って銅線を連続的に製造する方法として、特許文献２に記載されるようなベルトホイール式連続鋳造機を用いた方法がある。
このベルトホイール式連続鋳造機は、その主要部が、周回移動する無端ベルトと、この無端ベルトに円周の一部を接触させて回転する鋳造輪とにより構成される。この連続鋳造機は、シャフト炉などの大型の溶解炉と連続され、さらに圧延機と連結されることによって、溶解炉からの溶銅を連続鋳造圧延して銅線を一連の生産ラインで高速に製造することができる。従って該ベルトホイール式連続鋳造機は、高い生産性を得ることができ、大量生産が可能になることから、銅線の製造コストを低減させることが可能になる。
特開２００６−３４１２６８号公報 特開２００１−３１４９５０号公報

ところで、特許文献１に示される鉄リン含有銅合金線の場合も、特許文献２記載のベルトホイール式連続鋳造機を用いて連続鋳造しながら圧延することにより、コスト低減が図れると考えられる。
しかしながら、特許文献１記載の黒鉛鋳型を用いて鋳造する場合は、その鋳塊が大きな断面積で垂直に送り出されるが、特許文献２記載のベルトホイール式連続鋳造機の場合は、溶銅を鋳造しながら曲げられるために、鋳造組織が適正でないと、冷却時にクラック等が生じ易い。これを回避するためには、溶銅温度と銅の凝固点との差を小さくするとよいと考えられるが、難溶性の鉄を添加するため、溶銅温度を下げることは限界がある。

本発明は、前記事情に鑑みて提案されたもので、鉄等の難溶性元素を確実に溶解しつつ、ベルトホイール式連続鋳造機でリン含有銅合金線を連続生産可能にし、コスト低減を図ることを目的とする。

本発明は、溶銅にリン及び該リンよりも難溶性の元素を添加しながらリン含有銅合金線を連続的に製造する方法であって、溶解炉から加熱炉へ溶銅を送り、第一温度に保持するとともに、加熱炉内で難溶性元素を添加し、該加熱炉から送られる溶銅をタンディッシュに移送する。次にタンディッシュ内で、溶銅に銅塊を添加し、溶銅の温度を前記第一温度から第二温度へ低下させてリンを添加した後、該タンディッシュから溶銅をベルトホイール式連続鋳造機に供給し、該ベルトホイール式連続鋳造機からこの鋳造銅材を導出し、圧延してリン含有銅合金線を連続的に製造する。

つまり、難溶性元素と、該難溶性元素に比べて低温で溶解可能なリンとを分け、溶解炉からの溶銅を高温に保持した状態で難溶性元素をまず溶融させ、溶銅の温度を低下させた状態でリンを添加するのである。これにより、タンディッシュからベルトホイール式連続鋳造機に供給される際には、溶銅の温度は低下しているので、曲げを伴う鋳造を円滑に行わせることができる。
難溶性元素としては、鉄、ニッケル、コバルト及び、クロム等から選択される一種または二種以上を適用することができる。
本発明の製造方法において、前記難溶性元素を添加する際の溶銅の温度を１１５０℃以上とし、前記リンを添加する際の溶銅の温度を１１３０℃以下とすることが好ましい。さらには、難溶性元素を添加する際の溶銅の温度を１１７０℃以上、リンを添加する際の溶銅の温度を１１２０℃以下とすることが好ましい。

本発明によれば、溶解炉から送られた溶銅を加熱炉で高温に保持して難溶性元素を添加するので、該難溶性元素を確実に溶融させるとともに、その高温となった溶銅の温度を低下させた状態でベルトホイール式連続鋳造機に供給するため、該ベルトホイール式連続鋳造機での曲げを伴う鋳造を円滑に行わせることができ、クラック等の発生を防止することができる。

本発明の一実施形態である銅合金線の製造方法に使用される製造装置を概略的に示した構成図である。 実施例１の本実施形態の結果を示す渦流探傷のチャート図である。 実施例１の比較例の結果を示す渦流探傷のチャート図である。 実施例２の本実施形態の結果を示す渦流探傷のチャート図である。 実施例２の比較例の結果を示す渦流探傷のチャート図である。

符号の説明

１ 銅合金線製造装置
２ 第１添加手段
３ タンディッシュ
４ 注湯ノズル
５ 溶銅冷却手段
６ リン添加手段
１１ 無端ベルト
１３ 鋳造輪
Ａ 溶解炉
Ｂ 保持炉
Ｃ 加熱炉
Ｄ 鋳造樋
Ｅ ベルトホイール式連続鋳造機
Ｆ 圧延機
Ｇ コイラー

以下、本発明のリン含有銅合金線製造方法の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
まず、その製造装置について説明する。
本実施形態の銅合金製造装置１は、その主要部が、溶解炉Ａと、保持炉Ｂと、加熱炉Ｃと、鋳造樋Ｄと、ベルトホイール式連続鋳造機Ｅと、圧延機Ｆと、コイラーＧとから大別構成されている。
溶解炉Ａとしては、円筒形の炉本体を有する、例えばシャフト炉が好適に用いられている。溶解炉Ａの下部には、円周方向に複数のバーナー（図示略）が、上下方向に多段状に設けられている。この溶解炉Ａでは、還元性の雰囲気で燃焼が行われて、いわゆる無酸素銅の溶銅がつくられる。還元性の雰囲気は、例えば、天然ガスと空気との混合ガスにおいて、燃料比を高めることで得られる。

保持炉Ｂは、溶解炉Ａから出湯された溶銅を一時保持し、下流側への溶銅の供給量を一定に制御するためのものである。この保持炉Ｂには、バーナー等の加熱手段を備えられており、保持した溶銅が温度低下しないようにしている。また、炉内は、バーナーの燃料比を高める等により還元性雰囲気とされている。
加熱炉Ｃとしては、例えば小型の電気炉が用いられ、保持炉Ｂを経由して送られてきた溶銅を所定の高温に加熱し、その高温状態に保持して鋳造樋Ｄに送るようになっている。
また、この加熱炉Ｃには、該加熱炉Ｃ内の高温の溶銅に鉄等の難溶性元素を添加するための第１添加手段２が備えられている。添加される鉄等の難溶性元素は、例えば粒状のものが使用される。

鋳造樋Ｄは、保持炉Ｂと加熱炉Ｃとの間、及び加熱炉Ｃとタンディッシュ２との間を連結し、溶銅を非酸化雰囲気でシールし、脱ガス処理しながらタンディッシュ３まで移送するものである。非酸化雰囲気としては、例えば、窒素と一酸化炭素の混合ガスやアルゴン等の希ガスの不活性ガスとして、鋳造樋Ｄ内に吹き込むことで形成される。脱ガス処理としては、鋳造樋Ｄの途中に複数の堰（図示略）が設けられるとともに、これら堰の間にカーボン製の多数のボール又は粉（図示略）が浮遊状態に設けられており、堰により溶銅を攪拌しながら脱ガスする。該カーボン製のボール又は粉は、溶銅中の酸素を一酸化炭素として効率よく排出することができるものである。

タンディッシュ３には、溶銅の流れ方向の終端に注湯ノズル４が設けられており、タンディッシュ３からの溶銅がベルトホイール式連続鋳造機Ｅへ供給されるようになっている。また、このタンディッシュ３には、溶銅冷却手段５と、リン添加手段６とが設けられている。溶銅冷却手段５は、溶銅内に冷材として銅塊を投入して、該銅塊の融解熱によって溶銅の温度を低下させるものである。リン添加手段６は、銅塊の投入により低温となった溶銅中にリンを添加するものである。

これら溶銅冷却手段５及びリン添加手段６が設けられる位置は、必ずしもタンディッシュ３に限るものではないが、リンと酸素との化学反応を極力回避するために、脱酸素処理及び脱水素処理された溶銅にリンが添加されるように、脱ガス手段を経由した鋳造樋Ｄの終端部以降からタンディッシュ３の終端に至るまでの間に設けられるのが適切である。

前記ベルトホイール式連続鋳造機Ｅは、周回移動する無端ベルト１１と、この無端ベルト１１に円周の一部を接触させて回転する鋳造輪１３とにより構成される。ベルトホイール式連続鋳造機Ｅは、さらに圧延機Ｆと連結されている。
圧延機Ｆは、ベルトホイール式連続鋳造機Ｅから出た鋳造母線材２３を圧延するものである。この圧延機Ｆは、探傷器１９を介して、コイラーＧに連結されている。

次に、このように構成したリン含有銅合金線製造装置を使用してリン含有銅合金線を製造する方法について説明する。
まず、溶解炉Ａに電気銅などの銅原料を装入し、この銅原料をバーナの燃焼によって溶解して溶銅を得る。このとき、溶解炉Ａ内を還元性雰囲気とし、低酸素状態の溶銅を製造する。

溶解炉Ａで得られた溶銅は、保持炉Ｂで一旦保持されることにより、一定の流量に制御された状態で移送され、加熱炉Ｃに供給される。この溶銅は、バーナによる溶解炉Ａ直後では例えば１１００℃以下であり、これを加熱炉Ｃ内で例えば１１５０℃〜１２４０℃の高温（第一温度）に保持される。第一温度はより好ましくは１１９０℃〜１２１０℃である。
そして、この加熱炉Ｃ内において鉄（Ｆｅ）が添加される。この場合、溶解炉Ａ及び保持炉Ｂから出湯されたままの例えば１１００℃の溶銅では、添加される鉄が完全には溶解せず、未溶解Ｆｅとして残存し易いが、加熱炉Ｃ内で溶銅は十分に高温に維持されているので、難溶性の鉄であっても完全に固溶することができる。この鉄は例えば粒状の金属鉄が使用される。
この鉄を溶解するために、Ｃｕ−Ｆｅ合金を添加する方法もあるが、添加物としてコストが高く、好ましくない。

次に、加熱炉Ｃから鋳造樋Ｄを経由して溶銅を送るのであるが、この鋳造樋Ｄの中は非酸化雰囲気とされ、また堰（図示略）が設けられていることにより、溶銅が流れる間に攪拌されて脱ガス処理される。この脱ガス処理は、ＦｅやＳｎによる酸化物等が溶銅に混入することを防止するものであり、最終的には溶銅の酸素濃度を１０ｐｐｍ以下とする。

そして、この脱ガス処理された溶銅がタンディッシュ３に送られ、該タンディッシュ３では、溶銅冷却手段５及びリン添加手段６により、冷材として銅塊が投入されるとともに、リンが添加される。この銅塊としては、例えば、鋳造速度が２３ｔ／時の場合、体積が１ｍｍ^３〜１５０ｍｍ^３の塊のものを１５０ｋｇ／時投入する。この銅塊の投入により、溶銅温度を第一温度より低い第二温度、例えば１０８５℃〜１１３０℃にまで低下させる。第二温度はより好ましくは、１０９０℃〜１１１０℃である。
そして、この温度低下した溶銅にリンを添加する。この添加材としてのリンは、リン（Ｐ）を１５ｗｔ％含有する銅母合金（１５％Ｐ母合金）を使用する。このリンを添加するときの溶銅温度を１０８５℃〜１１３０℃にまで低下させておくのは、溶銅温度が１１３０℃を超えていると、粗大柱状晶の成長により、鋳造母線材２３にクラックや割れが生じ易くなるためである。
なお、溶解炉Ａから送られる溶銅を加熱炉Ｃを経由することなく供給すれば、比較的低温の溶銅にリンを添加することができるが、そうすると、難溶性の鉄が銅中に固溶せず、未溶解鉄として残存していまい、好ましくない。したがって、この鉄を溶解するために一旦溶銅の温度を上げた状態とし、鉄を完全固溶させた後に、溶銅温度を下げてリンを添加するようにしたのである。

このようにして鉄、リンを添加した溶銅はタンディッシュ３からベルトホイール式連続鋳造機Ｅに注入されて連続的に鋳造され、ベルトホイール式連続鋳造機Ｅを出たところで鋳造母線材２３に成形される。この鋳造母線材２３は、圧延機Ｆによって圧延されて、リン含有銅合金母材２５となり、探傷器１９により傷の有無が検知された後、ワックス等の潤滑油を塗布されながらコイラーＧに巻回される。

このような製造方法としたことにより、鉄が完全に固溶しているとともに、クラック等が生じない良好な品質のリン含有銅合金母材２５を製造することができる。そして、このリン含有銅合金母材２５は、溶体化処理、時効処理した後、皮剥ぎ処理後に溝を有するトロリ線として伸線される。
例えば、Ｓｎが０．０８０〜０．５００ｗｔ％、Ｆｅが０．００１〜０．３００ｗｔ％、Ｐが０．００１〜０．１００ｗｔ％含有し、残りがＣｕ及び不可避不純物からなるリン含有銅合金線を得ることができ、その中でも、Ｓｎが０．１００〜０．１５０ｗｔ％、Ｆｅが０．０８０〜０．１２０ｗｔ％、Ｐが０．０２５〜０．０４０ｗｔ％含有し、残りがＣｕ及び不可避不純物からなり、Ｆｅ／Ｐの比率が２．５〜３．２のものがトロリ線として好ましい。

タンディッシュでリンを添加する際の溶銅温度によるクラック発生の影響について実験した。
冷材としての銅塊は、無酸素銅のメッキ用銅ボールで直径が１１ｍｍのものを使用し、溶銅温度を検出してフィードバックしながら例えば２００個／時間の割合で投入した。溶銅温度は１１２０℃であった。その溶銅をベルトホイール式連続鋳造機によって連続鋳造しながら、圧延機を経由して圧延し、直径１８ｍｍの荒引銅合金線を製造した。この銅合金線は、Ｓｎ：０．１１８ｗｔ％、Ｆｅ：０．０９０ｗｔ％、Ｐ：０．０３１ｗｔ％、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅合金であった。この場合、Ｆｅ／Ｐの比率は約２．９となる。酸素（Ｏ）濃度は８ｐｐｍであった。この銅合金線を渦流探傷機で探傷したときのチャートを図２Ａに示す。
一方、タンディッシュでの冷材の投入を制限したところ溶銅温度が１１４０℃となり、その場合、Ｓｎ：０．１１８ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７８ｗｔ％、Ｐ：０．０３１ｗｔ％、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅合金であった。酸素（Ｏ）濃度は６ｐｐｍであった。この銅合金線の探傷チャートを図２Ｂに示す。

前者の本実施例の場合、約４０００ｋｇ製造して、製品としては支障のない程度の小キズが１個、中キズが２個発見され、製品として欠陥となる大キズは０であった。これに対して後者の比較例の場合は、約２８００ｋｇ製造して、探傷機の測定不能なほど多くの大キズが発見された。

次に、Ｃｏ：１５５０ｐｐｍ、Ｎｉ：３１０ｐｐｍ、Ｚｎ：２８０ｐｐｍ、Ｓｎ：３８０ｐｐｍ、Ｐ：４７０ｐｐｍ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅合金線（いわゆるＨＲＳ合金）を、上述のベルトホイール式連続鋳造機によって連続鋳造しながら、圧延機を経由して圧延することで製造した。なお、酸素（Ｏ）濃度は６ｐｐｍであった。
タンディッシュに、溶銅温度を検出してフィードバックしながら例えば２００個／時間の割合で冷材としての銅塊を投入し、タンディッシュ温度を１１１５℃とした。この条件によって製出された銅合金線の渦流探傷機での探傷結果を図３Ａに示す。
一方、タンディッシュでの冷材の投入を制限したところ溶銅温度が１１４０℃となった。この条件によって製出された銅合金線の渦流探傷機での探傷結果を図３Ｂに示す。

この銅合金線においても、タンディッシュ温度を１１１５℃とした本実施例の場合、約４０００ｋｇ製造して、製品としては支障のない程度の小キズが１９個、中キズが１２個発見され、製品として欠陥となる大キズは６個であった。これに対してタンディッシュ温度を１１４０℃とした比較例の場合は、約４０００ｋｇ製造して、小キズ及び中キズは測定不能なほど多く、大キズは４５個であった。

なお、本発明においては、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。例えば、タンディッシュで投入される冷材としては、リンを含有した脱酸銅の銅ボール等であってもよく、溶銅の冷却とリン添加とを一度に行わせることができる。また、本発明の製造方法により製造されるリン含有銅合金線としては、トロリ線以外にも、直径が例えば８ｍｍ〜３０ｍｍの自動車用配線等にも適用可能である。

また、タンディッシュに設けたリン添加手段により銅母合金（１５％Ｐ母合金）を添加する構成として説明したが、これに限定されることはなく、このリン添加手段を用いてリン以外の元素を添加してもよい。また、タンディッシュにリン添加手段以外の第２添加手段を設けて、他の元素を添加するように構成してもよい。

さらに、Ｓｎ：０．１１８ｗｔ％、Ｆｅ：０．０９０ｗｔ％、Ｐ：０．０３１ｗｔ％、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅合金線を上述のベルトホイール式連続鋳造機によって連続鋳造しながら、圧延機を経由して圧延することで製造した。なお、酸素（Ｏ）濃度は８ｐｐｍであった。
まず、溶解炉で得られた溶銅を保持炉で一旦保持する。一定の流量に制御された状態で加熱炉に供給した。加熱炉では、１２００℃で保持しながら鉄（Ｆｅ）を所定量添加した。鉄（Ｆｅ）が添加された溶銅は鋳造樋を経由してタンディッシュに移送される。ここで、溶銅を冷却するために冷材が添加される。冷材としての銅塊は、無酸素銅のメッキ用銅ボールで直径が１１ｍｍのものを使用し、溶銅温度を検出してフィードバックしながら例えば２２０個／時間の割合で投入した。溶銅温度は１１００℃であった。ここで、リン（Ｐ）および錫（Ｓｎ）を所定量添加し、その溶銅をベルトホイール式連続鋳造機によって連続鋳造しながら、圧延機を経由して圧延し、直径１８ｍｍの荒引銅合金線を製造した。

過流探傷機を用いて線表面のキズを測定したところ、本実施例の場合、約４０００ｋｇ製造して、製品としては支障のない程度の小キズが０個、中キズが１個発見され、製品として欠陥となる大キズは０であった。また、銅合金線の断面を金属顕微鏡を用いて５００倍で観察したところ、鉄（Ｆｅ）の未溶解は存在しなかった。

Claims (2)

1. 溶銅にリン及び該リンよりも難溶性の元素を添加し、リン含有銅合金線を連続的に製造する方法であって、
   溶解炉から溶銅を加熱炉へ送り、該加熱炉内で溶銅を第１温度に保持しつつ難溶性元素を添加する工程と、
   該加熱炉から溶銅をタンディッシュに移送し、前記溶銅に銅塊を添加し、溶銅の温度を前記第１温度よりも低い第２温度へ低下させてリンを添加する工程と、
   該タンディッシュから溶銅をベルトホイール式連続鋳造機に供給して鋳造銅材を製造し、該ベルトホイール式連続鋳造機から導出された鋳造銅材を圧延してリン含有銅合金線を連続的に製造する工程とを有することを特徴とするリン含有銅合金線製造方法。
2. 前記難溶性元素を添加する際の溶銅の第１温度が１１５０℃以上とされ、前記リンを添加する際の溶銅の第２温度が１１３０℃以下とされている請求項１に記載のリン含有銅合金線製造方法。