JPS586588B2 - 連続鋳造設備用鋳型材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は連続鋳造設備用鋳型材に関するものである。

従来、連続鋳造設備の鋳型材には純銅が採用されており
、この純銅の高温（たとえば３００℃）での耐力は約６
ｋｇｆ／ｍｍ２であり、寿命（鋳造時に変形をきたし、
変形量が基準量より過大になるまでの時間）が、たとえ
ば鋳造速度１．３ｍ／ｍｉｎの連続鋳造設備では１回の
改削当り鋳造回数１００回であり、あまり長いものでは
なかった。

また純銅は軟化温度が低く、引張強さも小さいため、種
々の不都合があった。

この純銅に替わるものとして、Ｃｕ−０．１〜３％ Ｎ
ｉ − ０． １〜１．５％Ｓｉ合金がある。

この銅合金は析出硬化型であり、銅合金のうちでは軟化
温度（４５０〜５００℃）が高く、引張強さ（室温で４
５〜６０ｋｇｆ／ｍｍ２）の大きい材料であるため種々
の分野で耐熱用の銅合金として使用されている。

しかしこの銅合金は、高温度においては伸びが著しく低
下するため使用分野が限定されている。

たとえばこの銅合金を連続鋳造設備の鋳型材として使用
した場合、熱伝導度が低いためにこれまで使用されてい
た純銅に比べて温度上昇が大きく（たとえば純銅では約
２５０℃の場合、この銅合金では約３５０℃）、このた
め銅合金板表面に発生する熱応力が大きくなる。

この熱応力の発生状況は、使用する鋳型構造、連続鋳造
設備の機械形式並びに操業条件により種々異なるが、こ
の応力増大と同時に歪が増大する。

この歪は静的な歪だけでなく、連続鋳造設備操業時にお
ける鋳型内での溶鋼レベルの変動などに起因する動的な
歪をも含み、このような歪が発生すると銅合金板が高温
度になっていることと相まって、この高温時での延性と
発生する歪量との関連から銅合金板使用時に該板表面に
微細なクラツクが発生することがある。

そこでかかる銅合金板での微細クラツクの発生頻度を該
板が保持している高温延性との関連において検討した結
果、微細クラツクの発生を防止するには、Ｃｕ−Ｎｉ−
ｓｉ系の合金では３５０℃の温度で０．６１％の伸びを
必要とすることがわかった。

しかるに前記銅合金の３５０℃での伸びは０．５〜１％
であり、限界値に近い延性しか示さない。

したがってＣｕ−ＮｉＳｉ系合金を従来材より改善され
たものとして連続鋳造設備の鋳型材に適用するためには
、１回の改削当りの鋳造回数を増やすために鋳型材のか
たさを改善すると同時に、高温時の延性を改善する必要
がある。

本発明はかかる観点に立ってなされたものである。

発明者等は、ＣｕＮｉ−Ｓｉ合金における組成とかたさ
の関％を、溶体化処理温度８５０℃、析出温度４８０℃
の条件の下で調べたところ、Ｓｉが０．２５％以下では
析出硬化を示さず、かたさは約６０Ｈｖであり、０．３
％以上になるとかたさは急増し、さらにＳｉ量を増加し
て０．７％を越えるとかたさは約１８０Ｈｖで飽和し、
またＮｉについては０．４５７％以上の添加でかたさは
急増するが、２．０％以上添加してもそのかたさはＳｉ
添加の場合と同様に約１ ８ ０Ｈｖで飽和することが
明らかになった。

第１表はＮｉ：１．８％、Ｓｉ：０．５９％のＣｕＮｉ
−Ｓｉ合金の代表的機械的性質を実験値として例示した
ものである。

第１表に示した代表的実験値からも明らかなように、Ｃ
ｕ−０．４ ５〜２．Ｏ％ Ｎｉ −０．３〜０．７
％Ｓｉ合金（以下基本合金という。

）は、室温においては銅合金として十分にすぐれた性質
を示し、高温度においても引張強さ、耐力はすぐれてい
る。

しかし伸びは約３５０℃で約０．６％にまで低下する。

この３５０℃という温度は、基本合金で連続鋳造設備の
鋳型を製作し、実機に使用した場合の当該銅合金板表面
の上昇温度を、該板表面から１０ｍｍと２０ｍｍの位置
に埋め込んだ熱電対により測定した結果を外挿法により
求めた結果の代表値であり、実機での操業条件の変動、
連続鋳造設備の型式によっても当然変化する。

しかしてかかる基本合金を鋳型材として用いた場合には
、たとえば鋳造速度１．３ｍ／ｍｉｎのとき、１回の改
削当りの鋳造回数は、純銅の場合が１００回であるのに
対し、２倍以上に増大し、連続鋳造設備の鋳型材として
すぐれたものであることが明らかになった。

ところが、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金鋳型材の寿命は、純
銅鋳型材の場合が前述したように高温耐力の不足により
生ずる銅板の変形量で決定されるのに対し、鋳型内に注
入された溶鋼のメニスカス近傍の銅合板表面に発生する
微細クラツクによって決定され、しかもこのクラツク発
生は溶鋼面の変動による熱応力の繰返し変動に起因する
ことが明らかになった。

そこでこの対策として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の機械
的性質との関％を調査した結果、前記基本合金は高温延
性においてなお不足していることが判明した。

そしてこの高温延性は前述したように、３５０℃で０．
６％以上を要することが判ったのである。

したがって次に基本合金の高温延性の改善につき検討し
た。

発明者等は、基本合金の高温延性を改善するための種々
の添加元素の検討を行い、その結果ＣｒとＣｅについて
著しい効果を得た。

第１図は温度３５０℃で、基本合金の伸びに及ぼすＣｒ
とＣｅの影響を示したグラフ図であり、このグラフ図か
ら明らかなように、Ｃｒを添加すると０．０６％までは
その効果は小さいが、０．０６％以上になると伸びは大
きく向上し、０．１％添加で４％、０．１５％添加で５
％となる。

さらに０．２φでも約５％の伸びを示すが、０．２％以
上では伸びは急減し、０．３％添加では約０．８％の伸
びになる。

このようなＣｒの添加効果は、結晶粒を著しく微細化す
る効果と、Ｎｉ−Ｓｉ化合物の粒界析出の抑制にもとず
く結晶粒界の強化にあることが判った。

たとえばＣｒ，Ｃｅ無添加の基本合金では、クラツクが
結晶粒径は０，３〜０．５ｍｍであり、結晶粒界破壊で
あるのに対し、０，１％のＣｒ添加では結晶粒径は約０
．０７ｍｍとなり粒内破壊に変化する。

すなわちＣｒ添加により基本合金は粒界強化されるので
ある。

またＣｒ添加量にはおのずから適正量が存在し、添加量
の大きい側でも伸びが低下するのは析出量が増加するか
らである。

またＣｅはＣｒより微量の添加で効果があり、第１図の
ように、０．００５％添加で伸びは２％、０６０１％添
加で４％、０．０１５％添加で４．６％（最大）となり
、さらに添加量を増加すると伸びは急減し、０．０３４
１％では１％の伸びになる。

Ｃｅの添加効果は、結晶粒の微細化と凝固時のデンドラ
ンド境界での不純物減少による結晶粒界の清浄化にあり
、Ｃｅ添加量が増大すると伸びが急減するのはＣｅ化合
物が析出するからである。

第２図は基本合金、０．１φＣ『添加合金、０、０１％
Ｃｅ添加合金、０．１％Ｃｒ−０．０１％Ｃｅ添加合金
について室温から４５０℃までの温度変化に対する伸び
の変化を示したものであり、これらから明らかなように
、０．１％Ｃｒ添加合金０．０１％Ｃｅ添加合金は基本
合金に比べて大きく改善されている。

さらに大きな改善効果のあるＣｒとＣｅとを同時に添加
した０． １ ％ Ｃ ｒ −０．０１％Ｃｅ合金では
その効果がさらに顕著であり、たとえば当該合金では２
００℃までの温度での伸びはＣｒ添加合金、Ｃｅ添加合
金と大差ないが、２００℃以上において伸びは大きく改
善され３５０℃では約６．５％を示す。

連続鋳造設備の鋳型材には０．６％以上の伸びが要求さ
れることは既に述べたが、鋳型材は実際上５００〜６０
０回の操業に供されるため（通常は１００〜３００回で
鋳型材表面を切削修正する。

）５００〜６００回の連続使用を考慮すると鋳型材に要
求される伸びは実際上、０．６％の３倍の１．８％とな
る。

したがって第１図より、ＣｒとＣｅの添加量はＣｒが０
．０ ７ ５ 〜０．２ ８ ５％、Ｃｅが０．００４
５〜０．０３３％となる。

次に基本合金に０．１％のＣｒと０．０１％のＣｅを同
時添加した得た鋳型板を連続鋳造設備に使用した結果を
説明する。

基本合金を低周波溶解炉で、アルゴン雰囲気中において
溶解し、この溶湯中にＣｕ−１０％Ｃｒ母合金を添加し
てクロム量を調整したのち、メタくリツクＣｅを添加し
た。

Ｃｅ添加は溶湯直前におこなった。

この溶湯をダービル鋳造法（鋳造試験片採取方法）によ
り鋳型で鋳造し、得られた鋳塊を押湯部切断均質化熱処
理を施し、７００℃以上の温度で鍛造し、所定寸法の鋳
型板を得た。

この鋳型板を溶体化処理（８５０℃）並びに析出処理（
４５０℃）し、この後連続鋳造設備鋳型の鋳型板（銅板
）に加工し、実機に使用した。

実機使用条件は次の通りであった。

連続鋳造設備・・・１２０角ブルーム連続鋳造機鋼種・
・・ステンレス鋼 鋳造速度・・・０．９ｍ／ｍｉｎ 銅板表面・・・メッキなし この条件によると３５０回の連続使用によっても鋳型材
にクラツクの発生は認められなかった。

同条件で基本合金による鋳型材を用いた場合は、１５０
〜２５０回の連続使用により溶鋼側表面に微細クラツク
が発生した。

なお一般の銅板では変形、摩耗などにより１００〜２０
０回しか連続使用できないのが現状であり、本発明合金
でも３５０回以上の連続使用ができなかったのは鋳型材
下部が摩耗したためである。

第２表は基本合金、Ｃｒ添加合金、Ｃｅ添加合金、Ｃｒ
−Ｃｅ添加合金についての代表的実験値を示したもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は３５０℃での伸びに及ぼすＣｒとＣｅ３５の影
響を示すグラフ図、第２図は短時間引張試験の伸びを示
すグラフ図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ Ｃｕ−０．４ ５ 〜２．Ｏ％Ｎｉ−０．３〜０
   ．７％Ｓｉ合金に、Ｃｅを０．０ ４ ５ 〜０．０
   ３ ３ ％及び／又はＣｒを０．０７５〜０．２８５％
   添加したことを特徴とする連続鋳造設備用鋳型材。