JP7433262B2 - Cu-Ni-Sn合金の製造方法及びそれに用いられる冷却器 - Google Patents
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Description
溶融されたCu-Ni-Sn合金を、両端が解放された鋳型の一端から流し込んで、該合金の前記鋳型近傍の部分を凝固させながら、前記鋳型の他端から連続的に鋳塊として引き出す工程と、
前記引き出された鋳塊に霧状の液体を吹きかけることにより冷却して、Cu-Ni-Sn合金の鋳造品とする工程と、
を含む、Cu-Ni-Sn合金の製造方法が提供される。
円筒状本体と、
前記円筒状本体の上部に設けられ、液体を下方に垂らすように構成される、液体供給部と、
前記液体供給部の下方に設けられ、空気を前記円筒状本体の中心軸に向かって噴射する、空気噴射部と、
を備える、冷却器が提供される。
まず、溶融されたCu-Ni-Sn合金を、両端が解放された鋳型12の一端から(例えば黒鉛ノズル14を通して)流し込んで、該合金の鋳型12近傍の部分を凝固させながら、鋳型12の他端から連続的に鋳塊16として引き出す。溶融されたCu-Ni-Sn合金の温度は、1200~1400℃が好ましく、より好ましくは1250~1350℃、さらに好ましくは1300~1350℃である。
鋳型12の他端から引き出された鋳塊16に霧状の液体を吹きかけることにより冷却して(すなわちミスト冷却して)、Cu-Ni-Sn合金の鋳造品とする。ミスト冷却をすることにより、鋳塊16の冷却時間を短くしつつも内部割れを少なくし、生産性及び品質を両立させた、Cu-Ni-Sn合金を得ることができる。すなわち、Cu、Ni及びSnを含む鋳塊16の従来の冷却方法の例としては、エアシャワーやシャワー状の液体を直接かけること、液体に直接浸漬すること等が挙げられるが、これらの方法では鋳塊16の冷却時間を短くしつつも内部割れを少なくすることは困難であったところ、本発明の製造方法に係るミスト冷却によれば、鋳塊16の冷却時間を短くしつつも内部割れを少なくすることができる。
Cu-Ni-Sn合金として、UNS:C72900に定められるCu-15Ni-8Sn合金を以下の手順により作製し、評価した。
Cu-Ni-Sn合金の原料である、純Cuナゲット、Ni地金、Sn地金、電気マンガン、及びCu-Ni-Sn合金スクラップを、目標組成となるように秤量した。すなわち、Cuを163kg、Niを30kg、Snを15kg及びCu-Ni-Sn合金スクラップを1450kg秤量し、混合することにより、調合した。
秤量したCu-Ni-Sn合金の原料を大気用高周波溶解炉で1200~1400℃で溶解し、30分撹拌することで成分を均一化した。溶解完了後、スラグ掻き及びスラグ掬いを行った。
溶解及びスラグ処理して得られたCu-Ni-Sn合金の一部を成分分析用試料として採取し、その成分値を測定した。その結果、成分分析用試料は、Ni:14.9重量%及びSn:8.0重量%を含み、残部がCu及び不可避不純物であった。この組成は、UNS:C72900に定められるCu-15Ni-8Sn合金の条件を満たすものである。
溶解及びスラグ処理して得られたCu-Ni-Sn合金の溶湯を1250~1300℃で出湯し、図1に模式的に示されるように、両端が解放された鋳型12の一端に黒鉛ノズル14を通して流し込んだ。このとき、鋳型12の内部に水を循環させることで、流し込んだ溶湯を、鋳型12の一端から他端を通過するまでに凝固させ鋳塊16とした。このとき、鋳塊16の表層が主として凝固される。
表層が凝固した鋳塊16を、鋳型12の直下に設けた冷却器18により液状の水を吹きかけた後、水槽に浸漬した。なお、このとき空気噴射部18cからは空気Aを吹き込まなかった。このような冷却方法により、上記(4)の半連続鋳造後、2時間以内で50℃以下まで鋳塊16を冷却した。
水冷により得られた鋳塊16を、その温度が50℃未満になった後に取り出し、鋳造品であるCu-Ni-Sn合金を得た。鋳造品のサイズは直径320mm×長さ2mであった。
得られた鋳塊及び鋳造品に対して以下の評価を行った。
図2に示されるように、鋳造品の内部割れを確認するために、鋳造品の長手方向トップ面から250mmの位置、及びボトム面から150mmの位置からそれぞれ直径320mm×厚さ10mmの円板状サンプルを切り出し、その両面を目視観察及びレッドチェックをした。サンプルのトップ面(図中「Top側」と表記)及びボトム面(図中「Bottom側」と表記)の写真を示す。
上記サンプルを2次DAS(2次デンドライト・アーム・スペーシング)測定することにより、溶解したCu-Ni-Sn合金が凝固して鋳塊となるまでの冷却速度を推定した。まず、サンプルの切断面1/2R位置に対する垂直(鋳造方向)な断面において、4本以上の2次デンドライトアームが連続しているデンドライトを選択する。1/2R位置とは、円板状サンプルの切断面(円)の中心と円周との中央にあたる位置(すなわち、半径の1/2の位置)のことをいう。次に、そのデンドライトについて連続した4本以上の2次デンドライトアームの間隔を測定する。これを2次DASとした。サンプルの切断面に対する垂直な断面のトップ面(図中「Top側」と表記)及びボトム面(図中「Bottom側」と表記)に確認されたデンドライト及び2次DASの値を図3に示す。
上記(5)の水冷の代わりに、以下のようにしてミスト冷却を行ったこと以外、例1と同様にして試料の作製及び評価を行った。得られた鋳造品のサイズは直径320mm×長さ2mであった。
図1に模式的に示されるように、凝固した鋳塊16を、鋳型12の直下に設けた冷却器18により霧状の水を吹きかけながら、連続的に引き出した。このとき、冷却器18の円筒状本体18aの上部にある水供給部18bから7~13L/minの水Wを垂れ流し、冷却器18の円筒状本体18aの下段に空気噴射部18cとして設けられた直径3.5mmの穴120個から空気Aを2.7~3.3MPaの圧力で吹き込むことにより、垂れる水Wを霧化して霧状の水(すなわちミスト)とし、鋳塊16に吹き付けた。また、鋳塊16は、25mm/minで降下する受台(図示せず)で受け止めながら降下させた。このような冷却方法により、上記(4)の半連続鋳造後、2時間以内で50℃以下まで鋳塊16を冷却した。
上記(5)のミスト冷却の代わりに、以下のようにして空冷を行ったこと以外、例1と同様にして試料の作製及び評価を行った。得られた鋳造品のサイズは直径320mm×長さ2mであった。
凝固した鋳塊を、鋳型の直下に設けた冷却器により空気を吹きかけながら、連続的に引き出した。このとき、冷却器の円筒状本体に設けられた直径3.5mmの穴120個からから空気を吹き込む一方、鋳塊は、25mm/minで降下する受台で受け止めながら降下させた。このような冷却方法により、上記(4)の半連続鋳造後、12時間で50℃まで鋳塊を冷却した。空冷の場合、鋳塊の冷却速度が遅いため、内部割れが発生しにくいものの、冷却に長時間を要するため生産性が悪いといえる。
Claims (9)
- 連続鋳造法又は半連続鋳造法によるCu-Ni-Sn合金の製造方法であって、
溶融されたCu-Ni-Sn合金を、両端が解放された鋳型の一端から流し込んで、該合金の前記鋳型近傍の部分を凝固させながら、前記鋳型の他端から連続的に鋳塊として引き出す工程と、
前記引き出された鋳塊に霧状の液体を吹きかけることにより冷却して、Cu-Ni-Sn合金の鋳造品とする工程と、
を含み、
前記冷却が、前記鋳塊を前記鋳型の直下に配置された冷却器を通過させることにより行われ、
前記冷却器が、
円筒状本体と、
前記円筒状本体の上部に設けられ、液体を下方に垂らすように構成される、液体供給部と、
前記液体供給部の下方に設けられ、空気を前記円筒状本体の中心軸に向かって噴射する、空気噴射部と、
を備える、Cu-Ni-Sn合金の製造方法。 - 前記Cu-Ni-Sn合金が、Ni:8~22重量%、及びSn:4~10重量%を含み、残部がCu及び不可避不純物である、スピノーダル合金である、請求項1に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法。
- 前記Cu-Ni-Sn合金が、Ni:14~16重量%、及びSn:7~9重量%を含み、残部がCu及び不可避不純物である、スピノーダル合金である、請求項1又は2に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法。
- 前記鋳型を通過した前記鋳塊が、前記Cu-Ni-Sn合金を前記鋳型の他端から鋳塊として引き出す工程を終了した後2時間以内に50℃以下まで冷却される、請求項1~3のいずれか一項に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法。
- 前記冷却器は、前記下方に垂れる液体が、前記鋳塊に直接当たることなく、前記空気と混ざるように構成される、請求項1~4のいずれか一項に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法。
- 前記鋳塊を前記鋳型の他端から引き出し前記冷却器を通過させて降下させるとき、前記鋳塊が受台で支持されており、前記受台が25~40mm/分の速度で降下される、請求項1~5のいずれか一項に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法。
- 前記液体が水である、請求項1~6のいずれか一項に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法。
- 請求項1~7のいずれか一項に記載のCu-Ni-Sn合金の製造方法に用いられる冷却器であって、
円筒状本体と、
前記円筒状本体の上部に設けられ、液体を下方に垂らすように構成される、液体供給部と、
前記液体供給部の下方に設けられ、空気を前記円筒状本体の中心軸に向かって噴射する、空気噴射部と、
を備える、冷却器。 - 前記液体供給部から垂れる前記液体の位置が、前記空気噴射部の位置よりも前記円筒状本体に近い位置になるように構成される、請求項8に記載の冷却器。
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