JP5608704B2

JP5608704B2 - 銅鉄合金の製造方法

Info

Publication number: JP5608704B2
Application number: JP2012110857A
Authority: JP
Inventors: 巌中島
Original assignee: 巌中島
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: JP2013237887A

Description

本発明は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基質中にＣｕとＦｅの金属間化合物（以下、「Ｃｕ／Ｆｅ間化合物」と記す。）が分散した銅鉄合金の製造方法に関する。

従来の銅鉄合金の製造方法は、炉内へＦｅを投入し、Ｆｅが完全に溶けたところでＣｕを装入し、晶化反応させ、反応溶湯をインゴットケースに注湯する（例えば、特許文献１参照。）。

得られたインゴットは、Ｃｕを主成分とする基質中にＣｕ／Ｆｅ間化合物の晶体片（以下、「Ｃｕ／Ｆｅ晶体片」と記す。）が均一に分布しており、押出し、圧延、引き抜きなどの塑性加工により、様々な工業材料となる。このような複合材料は、Ｃｕ基質中に高透磁性体であるＣｕ／Ｆｅ晶体片が分散されているため、例えば、電磁波に対するシールド材として非常に優れた特性を有する。

特開平６−１７１６３号公報

しかしながら、特許文献１の製法では、Ｆｅ溶湯中に固体のＣｕを装入するため、溶湯面の乱れが大きく、気泡が紛れ込み易い。また、直ぐにＣｕとＦｅの晶化反応が開始し、液相中に固相が析出し、液相に対して固相の占める割合が増大し、溶湯の粘度が高くなるため、真空炉で脱気してもすべての気泡を除去することはできない。

また、溶湯には、空気だけでなく、原料に付着した油脂汚れの微細な分解ガスも紛れ込む。溶湯中に紛れ込んだ微細な気泡は、鍛造や押し出しによる加工でも潰すことができない。

溶湯中に気泡が紛れ込み、インゴット、ビレットなどの鋳塊に気孔として混入した場合、塑性加工に大きな障害となる。特に直径０．１ｍｍオーダの細線の引き抜きでは、鋳塊中の微細な気孔でも断線の原因となる。このため、銅鉄合金の製造では、溶湯中の気泡を完全に脱気する方法が望まれている。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、気孔の混入を低減し、高品質な鋳塊を得ることができる銅鉄合金の製造方法を提供する。

本発明に係る銅鉄合金の製造方法は、電解銅を第１の溶解炉で溶解させ、銅溶湯中のガスを脱気させる銅溶湯脱気工程と、純鉄を前記第１の溶解炉と異なる第２の溶解炉で溶解させ、鉄溶湯中のガスを脱気させる鉄溶湯脱気工程と、前記第１の溶解炉の銅溶湯の温度を上げて前記第２の溶解炉の鉄溶湯の温度と略同一にしてから混合し、銅と鉄とを晶化反応させる反応工程と、前記晶化反応させた反応溶湯を鋳型に注湯する注湯工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、溶湯の粘度が高くなるＣｕ／Ｆｅ間の晶化反応の前に、溶湯中のガスを十分に脱気することができるため、気孔の混入が極めて少ない、高品質な鋳塊を得ることができる。

本発明の実施の形態における銅鉄合金の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら次いで実施例について詳細に説明する。

＜本発明の実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態における銅鉄合金の製造方法を示すフローチャートである。
本発明の実施の形態における銅鉄合金の製造方法は、電解銅を第１の溶解炉で溶解させ、銅溶湯中のガスを脱気させる銅溶湯脱気工程Ｓ２１と、純鉄を第２の溶解炉で溶解させ、鉄溶湯中のガスを脱気させる鉄溶湯脱気工程Ｓ２２と、第１の溶解炉の銅溶湯と第２の溶解炉の鉄溶湯とを混合し、銅と鉄とを晶化反応させる反応工程Ｓ２３と、晶化反応させた反応溶湯を鋳型に注湯する注湯工程Ｓ２４と、加工工程２５とを有する。

銅溶湯脱気工程Ｓ２１では、電解銅を第１の溶解炉で溶解させ、銅溶湯中のガスを脱気させる。電解銅は、粗銅を電解精錬することによって得られる、いわゆる電気銅であり、純度が９９．９９％以上の純銅である。第１の溶解炉としては、燃焼炉又は電気炉を使用することができるが、高品質な鋳塊を製造する観点から、電気炉の一つである高周波誘導炉を使用することが好ましい。また、第１の溶解炉の炉材は、グラファイト系を避け、シリカ系又はマグネシア系を採用することが望ましい。グラファイト系の炉材を使用し、溶湯中に炭素が溶け込んでしまうと、Ｆｅの融点が低下してＣｕ／Ｆｅ間の晶化反応が乱され、また、Ｆｅ／Ｃ合金が生じて偏析の原因となる。

電解銅の溶解は、第１の溶解炉の温度をＣｕの融点（１０８３℃）以上、Ｆｅの融点（１５３５℃）以下にして行われる。溶解炉の温度は、脱気促進の観点から、なるべく高温域の方が好ましい。

電解銅を溶解させた後、第１の溶解炉の温度を保ち、銅溶湯中のガスを十分に脱気させる。脱気時間は、電解銅の投入量によるが、例えば１００ｋｇを投入した場合、２０〜５０分程度である。

また、銅溶湯中にケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、リチウム（Ｌｉ）などを含むＣｕ脱酸剤を添加することが好ましい。これにより、銅溶湯中のガスの脱気を促進させ、銅溶湯中への気泡の紛れ込みを確実に低減させることができる。

鉄溶湯脱気工程Ｓ２２では、純鉄を第２の溶解炉で溶解させ、鉄溶湯中のガスを脱気させる。純鉄は、炭素含有量が０．０２％以下であり、その他の不純物元素が非常に少ない鉄である。第２の溶解炉は、第１の溶解炉と同様のものを用いることができる。

純鉄の溶解は、第２の溶解炉の温度をＦｅの融点（１５３５℃）以上にして行われる。
溶解炉の温度は、脱気促進の観点から、なるべく高温域の方が好ましい。

純鉄を溶解させた後、第２の溶解炉の温度を保ち、鉄溶湯中のガスを十分に脱気させる。脱気時間は、純鉄の投入量によるが、例えば１００ｋｇを投入した場合、２０〜５０分程度である。

また、鉄溶湯中にアルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ケイ素（Ｓｉ）などを含むＦｅ脱酸剤を添加することが好ましい。これにより、鉄溶湯中のガスの脱気を促進させ、鉄溶湯中への気泡の紛れ込みの混入を確実に低減させることができる。

反応工程Ｓ２３では、第１の溶解炉の銅溶湯と第２の溶解炉の鉄溶湯とを混合し、銅と鉄とを晶化反応させる。銅溶湯と鉄溶湯との混合は、略同一の溶湯温度で行い、湯面が乱れないように一方の溶湯を流し込む。混合時の溶解炉の温度は、晶化反応の促進と完結の観点から、なるべく高温域の方が好ましい。なお、晶化反応時間は、原料の投入量によるが、例えば合計２００ｋｇを投入した場合、５〜４０分程度である。

また、反応工程Ｓ２３において、例えば、優れた電磁波遮蔽効果を得るために、電解銅と、純鉄の粒片と共に、コバルト、ニッケル、マンガンクロムなどを少量添加してもよい。

Ｆｅは、Ｃｕに対する溶解度が２％と低いため、大半が過飽和成分となり、直ぐにＣｕと結合し、さらに、これらの結合単位は、晶化反応を繰り返して金属間化合物に成長する。金属間化合物の密度は、Ｃｕ液相と同程度であるから、これらの晶体粒片もＣｕの分散媒に懸濁する。晶体粒片の粒径は１０^−９〜１０^−７ｍと微細であり、晶体粒片の一部は球状化し、大半が扁平な紐状を呈している。晶化反応を繰り返して分散粒片の濃度が高くなると、Ｃｕ液相との混相は分散コロイドになり、流動抵抗が増大し、高粘度を発現する。

Ｃｕ／Ｆｅ間の晶化反応は、不完全な場合、品質低下となるＦｅ偏析が発生してしまい、結晶の生長により巨晶化した場合、材料の物性が劣化する。このため、反応温度、及び反応時間を最適化し、さらには反応溶湯の粘度の変化によって、反応の進行度を判定することが好ましい。

次の注湯工程Ｓ２４では、反応溶湯を鋳型に注湯し、急冷する。このとき、超音波発振器などによって鋳型に振動を与えることが好ましい。これにより、微結晶体粒片が均一に分散した銅鉄合金インゴットを得ることができる。

加工工程Ｓ２５では、鋳塊（インゴット）に対して、塑性加工（熱間加工・冷間加工）、焼鈍などを行い、製品化する。例えば、線材に加工する場合、インゴットを鍛造して丸棒材にし、熱間ロール圧延して線材とし、この線材を複数回冷間線引きすることにより、直径０．１ｍｍオーダの細線まで伸線することができる。

このような別々溶解法によれば、溶湯の粘度が高くなるＣｕ／Ｆｅ間の晶化反応の前の銅溶湯脱気工程Ｓ２１及び鉄溶湯脱気工程Ｓ２２において、銅溶湯中及び鉄溶湯中のガスをそれぞれ十分に脱気することができる。また、銅溶湯脱気工程２１において、銅溶湯中にケイ素、リン、又はリチウムの少なくとも１種を含む脱酸剤を添加することにより、銅溶湯中のガスの脱気を促進させ、銅溶湯中への気泡の紛れ込みを確実に低減させることができる。また、鉄溶湯脱気工程２２において、鉄溶湯中にアルミニウム、マンガン、チタン、又はケイ素のうち少なくとも１種を含む脱酸剤を添加することにより、鉄溶湯中のガスの脱気を促進させ、鉄溶湯中への気泡の紛れ込みを確実に低減させることができる。

＜実施例＞
以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、銅鉄合金（５０Ｃｕ−５０Ｆｅ）のインゴット（１００Ｋｇ）を、別々溶解法によって製造した。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

先ず、第１の高周波溶解炉に電解銅（純度９９．９９％以上）を１００ｋｇ投入し、第１の高周波溶解炉の溶湯温度を１３００℃に上げてＣｕを溶融させ、３０分間保持した。
また、脱酸剤としてＳｉを添加し、Ｃｕ液相の気泡を完全に脱気させた。また、投入した脱酸剤は、実質的に燃えてなくなった。

また、第２の高周波溶解炉に純鉄（炭素含有量０.０２％以下）を１００ｋｇ投入し、第２の高周波溶解炉の溶湯温度をＦｅの融点以上に上げてＦｅを溶融させ、３０分間保持した。また、脱酸剤としてＡｌを添加し、Ｆｅ液相の気泡を完全に脱気させた。また、投入した脱酸剤は、実質的に燃えてなくなった。

次に、第１の高周波溶解炉の溶湯温度を上げ、第２の高周波溶解炉の溶湯温度と略等しくした。そして、第１の高周波溶解炉の銅溶湯に第２の高周波溶解炉の鉄溶湯を湯面が乱れないように流し込み、ＣｕとＦｅの間に晶化反応を開始させた。晶化反応の終了を溶湯の粘性から判定し、反応溶湯を鋳型に注湯して急冷し、鋳塊を得た。

このインゴット（直径１２０ｍｍ）を鍛造して、直径８０ｍｍの丸棒材にし、熱間ロール圧延して直径２０ｍｍの線材とし、この線材を複数回冷間線引きすることにより、直径０．１ｍｍオーダの線材を得た。この塑性加工において、断線は発生しなかった。

Claims

電解銅を第１の溶解炉で溶解させ、銅溶湯中のガスを脱気させる銅溶湯脱気工程と、
純鉄を前記第１の溶解炉と異なる第２の溶解炉で溶解させ、鉄溶湯中のガスを脱気させる鉄溶湯脱気工程と、
前記第１の溶解炉の銅溶湯の温度を上げて前記第２の溶解炉の鉄溶湯の温度と略同一にしてから混合し、銅と鉄とを晶化反応させる反応工程と、
前記晶化反応させた反応溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、
を有する銅鉄合金の製造方法。
前記銅溶湯脱気工程では、銅溶湯中にケイ素、リン、又はリチウムのうち少なくとも１
種を含む脱酸剤を添加する請求項１に記載の銅鉄合金の製造方法。
前記鉄溶湯脱気工程では、鉄溶湯中にアルミニウム、マンガン、チタン、又はケイ素の
うち少なくとも１種を含む脱酸剤を添加する請求項１又は２記載の銅鉄合金の製造方法。