JPH0832939B2 - Ｃｕ合金製連続鋳造鋳型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、高温特性、すなわち高温強度、高温硬
さ、および耐熱疲労性、さらに耐溶湯肌荒れ性にすぐれ
た連続鋳造鋳型、特に局部的に大きい熱応力が繰り返し
作用する苛酷な熱疲労環境にさらされる溶湯の急冷凝固
用水冷回転ロール鋳型などの連続鋳造鋳型に関するもの
である。

〔従来の技術〕

一般に、通常の連続鋳造鋳型をはじめ、上記の水冷回
転ロール鋳型には、局部的な熱応力を和らげるための熱
伝導度、大きい熱応力に耐えるための高温強度、苛酷な
熱疲労環境に耐えるための高温伸び、さらに鋳造時の溶
湯摩耗などによる表面の肌荒れ（肌荒れが発生すると製
品の表面状態が著しく悪化し、これは水冷回転ロール鋳
型において著しく、使用寿命の短命化の原因となる）を
防止するための高温硬さや耐溶湯肌荒れ性などの高温特
性が要求されることから、その製造には、従来これらの
特性を具備するCu−Cr系合金やCu−Zr系合金、さらにCu
−Cr−Zr系合金などが広く用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一方、近年における連続鋳造技術の進歩、発展に伴っ
て、鋳造鋳型は益々苛酷な環境下で使用される傾向にあ
り、特に生産性の向上や、電磁撹拌技術の登場によって
溶湯と接触する鋳型の表面温度は、従来の300〜400℃か
ら400〜500℃へと次第に上昇してきている。

さらに、最近では、種々のすぐれた特性を示すように
なることから、例えば珪素鋼などの各種合金をロール法
にて鋳造して急冷凝固薄帯を製造することが行なわれて
おり、このロール法に用いられる水冷回転ロール鋳型に
おいても、500℃という高温にさらされるのが普通であ
り、また溶湯が耐えず一個所に注がれるため熱応力が常
に局部的に作用し、しかも水冷回転ロール鋳型の急速な
回転（例えば表面速度:2〜40m/sec）に伴って局部的な
加熱と冷却が頻繁に繰り返えされるようになり、したが
って、通常の連続鋳造鋳型におけるように、鋳造が安定
化状態に入ると、その鋳造が終了するまで鋳型に作用す
る熱応力の大きさや分布がほぼ一定に保たれる場合と比
べて、前記の水冷回転ロール鋳型では、はるかに大きい
局部的繰り返し熱応力を絶えず受けることになり、きわ
めて苛酷な熱疲労発生（熱サイクル疲労）環境にさらさ
れることになる。

このような苛酷な使用環境下にある連続鋳造鋳型を、
上記の従来Cu合金で製造した場合や、高温特性のうち、
得に高温強度、高温硬さ、および耐溶湯肌荒れ性が不十
分なために、これに十分満足して対応することができな
いのが現状である。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高温
特性のすぐれた連続鋳造鋳型、特に水冷回転ロール鋳型
を開発すべく研究を行なった結果、重量％で（以下、％
は重量％を示す）、 Ni:1％超〜５％、Ti:0.2〜２％、 Cr:0.1〜1.5％、Al:0.01〜１％、 Zr:0.01〜0.5％、P:0.001〜0.2％、 Feおよび／またはCo:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに必要に応じて、 Sn:0.05〜0.5％、 を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成を有す
るCu合金で構成された連続鋳造鋳型は、高温特性のう
ち、特に高温強度、高温硬さ、および耐熱疲労性、さら
に耐溶湯肌荒れ性にすぐれ、例えばロール法で用いられ
る水冷回転ロール鋳型などの溶湯との接触によって局部
的に大きい熱応力が繰り返し発生する苛酷な熱疲労環境
にさらされる場合に、すぐれた性能を著しく長期に亘っ
て発揮するという知見を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであ
って、以下に連続鋳造鋳型を構成するCu合金の成分組成
を上記の通りに限定した理由を説明する。

（ａ） NiおよびTi これらの成分には、結晶粒内（マトリックス中）に微
細に析出するNi_xTi_yの金属間化合物を形成し、もって鋳
型の高温強度と高温硬さ（耐溶湯肌荒れ性）を飛躍的に
向上させる作用があるが、その含有量がいずれもNi:1％
以下およびTi:0.2％未満では、前記作用に所望の効果が
得られず、一方その含有量が、それぞれNi:5％およびT
i:2％を越えても前記作用が飽和し、より一層の向上効
果が得られないばかりでなく、熱伝導性が急激に低下す
るようになることから、その含有量を、それぞれNi:1％
超〜５％、Ti:0.2〜２％と定めた。

（ｂ） Cr Cr成分には、それ自体が結晶粒内に微細に析出して鋳
型の強度を向上させるほか、NiおよびTiとの共存におい
て、鋳型の高温強度および高温硬さ（耐溶湯肌荒れ性）
を一段と向上させる作用があるが、その含有量が0.1％
未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含
有量が1.5％を越えても、前記作用により一層の向上効
果が現われず、むしろ粗大なCrの晶出物が発生して延性
を著しく低下させるほか、溶解鋳造が困難になることか
ら、その含有量を0.1〜1.5％と定めた。

（ｃ） Al Al成分には、NiおよびTiと結合して、Ni_xAl_yやTi_xAl_y
の微細な金属間化合物を析出形成し、もって鋳型の常温
および高温強度を向上させるほか、実用時に表面部にAl
₂O₃の分散した緻密な層を形成して、溶湯とのぬれ性を
低下させ、例えばロール法で用いられる水冷回転ロール
鋳型であれば、水冷回転ロール鋳型の肌荒れを著しく抑
制する作用があるが、その含有量が0.01％未満では、前
記作用の所望の向上効果が得られず、一方その含有量が
１％を越えても前記作用により一層の向上効果が現われ
ず、むしろ熱伝導性が低下するようになることから、そ
の含有量を0.01％〜１％と定めた。

（ｄ） Zr Zr成分には、Cuと結合して、主として粒界に微細に析
出するCu₃Zrの金属間化合物を形成し、もって高温にお
ける粒界のすべりを抑制して粒界の強度を上昇させ、こ
れによって高温における粒界破断による脆化（延性低
下）を阻止して、鋳型の耐熱疲労性を改善する作用があ
るが、その含有量が0.01％未満では前記作用に所望の向
上効果が得られず、一方その含有量が0.5％を越えても
前記作用により一層の向上効果が得られず、逆に延性を
低下させ、かつ溶解鋳造を困難にするようになることか
ら、その含有量を0.01〜0.5％と定めた。

（ｅ） FeおよびCo これらの成分には、Tiと結合して、結晶粒内に微細に
析出する（Fe,Co）_xTi_yの金属間化合物を形成し、もっ
て鋳型の強度および熱伝導性を向上させる作用がある
が、その含有量が0.01％未満では前記作用に所望の向上
効果が得られず、一方その含有量が0.5％を越えても前
記作用に一層の向上効果が得られず、逆に熱伝導性が急
激に低下するようになることから、その含有量を0.01〜
0.5％と定めた。

（ｆ） Ｐ Ｐ成分には、鋳型の耐熱性と強度を向上させる作用が
あるが、その含有量が0.001％未満では、前記作用に所
望の向上効果が得られず、一方その含有量が0.2％を越
えると、強度の向上は期待できるものの、反面延性と熱
伝導性が著しく低下するようになることから、その含有
量を0.001〜0.2％と定めた。

（ｇ） Sn Sn成分には、高温強度を向上させる作用があるので、
必要に応じて含有されるが、その含有量が0.05％未満で
は所望の高温強度向上効果が得られず、一方その含有量
が0.5％を越えると延性に低下傾向が現われるようにな
ることから、その含有量を0.05〜0.5％と定めた。

〔実施例〕

つぎに、この発明のCu合金製連続鋳造鋳型の実施例に
より具体的に説明する。

通常の真空溶解炉を用い、黒鉛るつぼ中で、それぞれ
第１〜３表に示される成分組成をもった各種のCu合金溶
湯を15kgづつ溶製し、金型に鋳造して単重:5kgの３個の
インゴットとし、面削した後、１個のインゴットに対し
て熱間鋳造および熱間圧延を施して、幅、:100mm×圧
さ:5mmの板材とし、これを適当な長さに切断することに
よって、本発明Cu合金製連続鋳造鋳型板材（以下、本発
明鋳型板材という）１〜19、比較Cu合金製連続鋳造鋳型
板材（以下、比較鋳型板材という）１〜14、および従来
Cu合金製連続鋳造鋳型板材（以下、従来鋳型板材とい
う）１〜３をそれぞれ製造した。

なお、これらの鋳型板材のいずれにも温度:980℃に30
分間保持後水冷の焼入れ処理を施し、さらに引続いて、
本発明鋳型板材１〜19および比較鋳型板材１〜14に対し
ては温度:525℃に２時間保持の条件で、また従来鋳型板
材１に対しては温度:450℃に１時間保持の条件で、さら
に従来鋳型板材2,3に対しては温度:475℃に２時間保持
の条件で、それぞれ時効処理を施した。

また、比較鋳型板材１〜14は、いずれも構成成分のう
ちいずれかの成分含有量（第2,3表に※印を付す）がこ
の発明の範囲から外れた組成をもつものである。

ついで、これらの各種の鋳型板材について、常温およ
び500℃におけるビッカース硬さ、並びに熱伝導性を評
価する目的で電気伝導度を測定し、さらに常温引張試
験、温度:500℃に10分間保持後の引張特性を測定する高
温引張試験、耐熱試験、および熱サイクル疲労試験を行
ない、それぞれの結果を第４〜８表に示した。

なお、耐熱試験は、450〜700℃の温度範囲内で10℃間
隔ごとに、それぞれの温度に加熱し、この加熱温度に１
時間保持後、室温まで空冷を１サイクルとし、各サイク
ルごとに硬さを測定することにより行ない、この測定結
果にもとづいて、硬さが元の硬さの90％になる加熱温度
をもって耐熱温度とした。

また、熱サイクル疲労試験は、第１図に概略断面図で
示される熱疲労試験装置を用い、中央部に切欠部が形成
されている試験片１を試験片ホリダー２に固定支持し、
このホルダー２を回転軸３から90゜等角度間隔で放射状
に４個延びているホルダー支持棒４に取り付けた状態
で、プロパンガスバーナー５の炎６を試験片１に40秒間
あてて、その中央部を500℃±25℃の最高温度に加熱
し、ついで回転軸３を自動的に矢印方向に90゜回転し
て、その加熱された試験片１を直ちに水７中で急冷する
と同時に、次の試験片１をバーナー加熱位置に移して上
記と同様に40秒間加熱し、この加熱と冷却の一連の操作
を各試験片１について1000サイクル施すことにより行な
い、この間試験片における割れおよび変形発生時の付加
サイクル数をチェックした。

さらに、残りの２個のインゴットを用い、それぞれ熱
間鍛造にて外径：約105mm×内径：約75mm×幅：約55mm
のリング材に成形し、上記熱処理条件と同一の条件で熱
処理を施し、ついで機械加工にて外径:100mm×内径:80m
m×幅:50mmの寸法に仕上げることにより一対の水冷回転
ロール鋳型を製造し、ついでこの水冷回転ロール鋳型に
ついて、耐溶湯肌荒れ性を評価する目的で、 回転数:30r.p.m.、 ロール間隙:1mm、 鋳込材:SUS304ステンレス鋼、 鋳込温度:1600℃ の条件で鋳造試験を行ない、鋳造後のロール表面の肌荒
れの状況を目視と実体顕微鏡により観察し、肌荒れが全
くないか、発生がほとんど見られない場合を○印、肌荒
れ発生が僅かである場合を×印、肌荒れ発生が非常に大
い場合を××印で 評価した。これらの結果を第7.8表に示した。

〔発明の効果〕

第４〜８表に示される結果から、本発明鋳型板材１〜
19は、いずれも従来鋳型板材１〜３に比べて、一段とす
ぐれた常温および高温強度、常温および高温硬さ、耐熱
性、並びに耐熱疲労性を具備し、かつ熱伝導性および耐
溶湯肌荒れ性にもすぐれているのに対して、比較鋳型板
材１〜14に見られるように、構成成分のうちのいずれか
の成分含有量でもこの発明の範囲から外れると、上記特
性のうち少なくともいずれかの特性が劣ったものになる
ことが明らかである。

上述のように、この発明のCu合金性連続鋳造鋳型は、
高い温度強度、高温硬さ、および耐熱性をバランスよく
保持しながら、特にすぐれた耐熱疲労性および耐溶湯肌
荒れ性を具備しているので、連続鋳造鋳型のうちでも、
特に急冷凝固薄帯製造用の水冷回転ロール鋳型や、電磁
撹拌技術の導入によって益々肉薄化が要求されている連
続鋳造鋳型などとして用いても、著しく長期に亘ってす
ぐれた性能を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱疲労試験装置を示す概略断面図である。 １……試験片、２……試験片ホルダー ３……回転軸、４……ホルダー支持棒 ５……プロパンガスバーナー ６……炎、７……水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−50428（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−182239（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−182238（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ni:1％超〜５％、Ti:0.2〜２％、 Cr:0.1〜1.5％、Al:0.01〜１％、 Zr:0.01〜0.5％、P:0.001〜0.2％、 Feおよび／またはCo:0.01〜0.5％、 を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成（以上
   重量％）を有するCu合金で構成したことを特徴とするCu
   合金製連続鋳造鋳型。
2. 【請求項２】Ni:1％超〜５％、Ti:0.2〜２％、 Cr:0.1〜1.5％、Al:0.01〜１％、 Zr:0.01〜0.5％、P:0.001〜0.2％、 Feおよび／またはCo:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Sn:0.05〜0.5％、 を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成（以上
   重量％）を有するCu合金で構成したことを特徴とするCu
   合金製連続鋳造鋳型。