JPS63125632A

JPS63125632A - 耐熱疲労性にすぐれた高強度銅合金

Info

Publication number: JPS63125632A
Application number: JP27110386A
Authority: JP
Inventors: Takuro Iwamura; 岩村　卓郎; Masao Kobayashi; 正男小林; Kazuhiko Tabei; 和彦田部井
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1986-11-14
Publication date: 1988-05-28
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JP2632818B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、耐熱疲労性にすぐれた高強度銅合金に関し
、局部的に大きい熱応力が繰り返し作用する苛酷な熱疲
労条件下で使用される部柑、例えば鋳造鋳型、特に溶湯
の急冷凝固用ロールの材料とするのに適した、上記銅合
金に関するものである。

〔従来の技術〕

先に、本出願人は、従来、鉄鋼の連続鋳造鋳型に用いら
れていｒ　Ｃｕ　−Ｃｒ−Ｚｒ合金にＭとＴｉを含有さ
せると、その結果得られるＣｕ　−Ｃｒ　−Ｚｒ−Ａ−
６−Ｔｉ合金は、前記Ｃｕ　−Ｃｒ−Ｚｒ合金と同等、
あるいはこれ以上のすぐれた高温強度と耐熱疲労割れ性
を具備した状態で、すぐれた耐腐食疲労割れ性（耐サル
ファアタック性）をもつようになるとともに、耐熱性と
耐酸化性も著しく向上するようになり、かつ連続鋳造鋳
型に適した４０〜９０％（％ＩＡＣ８）という熱伝導度
を、この範囲で調整自在に得ることができ、さらに、こ
れにＦｃ　、　ＮｉおよびＣ。

のうちの１種または２種以上を含有させると強度が一段
と向上し、またＳｉを含有させれば耐熱性と耐酸ｆヒ性
が一段と向上するようになるという知見に基づいて、Ｃｒ：Ｑ、４〜１．５％、Ｚｒ　：　０．０１〜０．３％、Ｍ：０．０５〜０．８％、 ’ｒｉ：Ｑ、Ｑｌ〜０６％、Ｆｅ＋Ｎｉ、ＮよびＣｏのうちの１種または２種以上：
０．０５〜１％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、を含有し、残０がＣｕおよび不可避不純物からなる組１
戊（以上重量％）を有する連続鋳き鋳型用銅合金を提案
した（特公昭６１〜４１９７３号参照）。

〔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順向にあ０
、特に生産性の向上や電磁攪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４００〜５０〇℃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ことから
、次第に用途が拡大しつつある各種合金、例えば珪素鋼
の急冷凝固薄帯をロール法によって製造する場合に用い
られる水冷回転ロールは、さらに高い５００℃という高
温にさらされるのが普通であり、このようなロールにお
いては、溶湯が絶えず一個所に注がれるため熱応力は常
に局部的に作用し、かつロールの急速な回転（例えば、
表面速度＝２〜４０ｍ／５ｅｃ）に伴って局部的な加熱
、冷却が頻繁に繰り返えされるので、この水冷回転ロー
ルは、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
保たれる通常の連続鋳造鋳型と較べて、遥かに大きい局
部的熱応力を絶えず受けるとともに、極めて苛酷な熱疲
労発生（熱サイクル疲労）環境にさらされることになる
。

したがって、このような水冷回転ロール利および通常の
連続鋳造鋳型材のいずれにおいても、当然、局部的な熱
応力を和らげるための高い熱伝導度（％ＩＡＣ８）、大
きい熱応力に耐えるための高い高温強度、および苛酷な
熱疲労環境に耐えるための旨い高温伸び（δ）を必要と
し、これらの材料のうち、前者の水冷回転ロール材では
、後者の連続語き鋳型月に要求される、４００℃の引張
強さ＝σＢ≧２０Ｋｐ／＋ｕ、伸び：δ≧１５％、熱伝
導度：％ｌＡＣ３＞３０、という特性よりも全体的にす
ぐれた特性、すなわち、５００℃の引張強さ＝σＢ≧２
２Ｋｇ／咽、６２１５％、％ｌＡＣ３≧４０、という特
性が要求されるが、前に述べた従来の連続鋳蹟鋳型用銅
合金は、高温にさらされながら激しい熱に：力が頻繁に
繰ｌ）返される、特に苛酷な環境下にゴｄいて、すなわ
ち例えば、前記水冷回転ロール材として使用される場合
には、上記各特性が未だ十分でないという問題があった
。

［研究に基づく知見事項］本発明者等は、上述のような状況に鑑みて種々研究を重
ねた結果、（１）前記従来の銅合金におけるＭは、その銅合金の耐
腐食割れ性を向上させるには有効な成分であるが、この
Ｍを省いて、前記銅合金をｃｕ−ｃｒ−Ｚｒ　−Ｔｉ　
＝（Ｆｅ　＋　Ｎｉ　＋　Ｃｏ　）−８ｉで構成すると
、素地中に、Ｃｒ、Ｃｕ３Ｚｒおよび（Ｆｅ　！　Ｎｔ
　ｌ　Ｃｏ　）、Ｔ　；　ｙの３種の微細な結晶が析出
するとともに、共存しているＳｉが（Ｆｅ　＋　Ｎｉ　
＋　Ｃｏ　）、ｚＴｉｙ析出相を一段と微細化し、それ
によってこれらの析出相が相乗効果を発揮して、前記銅
合金の高温強度、延性、および耐熱疲労性を向上させる
こと、（２）　　上記のような組織を有する銅合金中にＭを添
加すると、前記鉄族金属とＴｉからなる金属間化合物中
でＴｉはＭと置換されて、（Ｆｅ　！　Ｎｉ　＋　Ｃｏ
　）−ｉ（Ｔｉ　Ｍ　）ｙなる金属間ｆヒ合物の粗大粒
子が形［戊され、それによって、前述のような特性向上
に寄与した（　Ｆｅ　ｒ　Ｎｉ　、　Ｃｏ　）よＴ　ｉ
　ｙ相が減少すると同時に析出相が和犬化することによ
って、高温強度、延性が低下すること、（３）　　前記基本成分からなる銅合金、すなわちＣｕ
−Ｃｒ　−Ｚｒ　−Ｔｉ−（Ｆｅ　＋　Ｎｉ　、　Ｃｏ
　）　−８ｉ合金に、Ｓｎ、Ｍｎ、　Ｚｎ、　Ｍｇ、お
よびＰのうちの１種または２種以上を添加すると、上記
Ｓｎでは、前記各析出強化元素との相互作用で析出強化
能が増大し、かつ耐熱性と高温強度の向上作用が得られ
、またＭｎ、Ｚｎ、ＭｇおよびＰでは、溶湯に対する脱
酸剤としての清浄化作用と、素地に固溶して高温強度を
向上させるイ乍用が得られること、および（４）前記基本成分からなる銅合金に、Ｃｅ　＋　Ｌａ
　＋Ｎｄ＋　Ｐ　ｒ　＋　Ｓｎのような希土類元素のい
ずれか１種以上を含有させると、上記基本銅合金の強度
や熱伝導性を損うことなく、その被削性を向上させると
ともに耐サルファアタック性を改善すること、を見出し
た。

Ｅ問題点を解決するための手段〕この発明は、上記知見に基づいて発明されたもので、耐
熱疲労性にすぐれた高強度銅合金を提供することを目的
とし、Ｃｒ：Ｏ，１〜２．５％、Ｚｒ：　０．０１〜０．５％、Ｔｉ：Ｏ，０１〜０７％、Ｆｅ　、　Ｎｊ　ＪおよびＣＯのうちの１種または２種
以上＝０１〜１．２％、 −９，− Ｓｊ：０．００３〜０．１　　％、を含有し、さらに、必要にに：じて、Ｓｎ：　０．０５−１．２％、Ｍｎ　：　０．０５〜１．２％、Ｚｎ：　０．０５〜１．２％、Ｍｇ　：　０．００１〜０２％、Ｐ：Ｏ，ＯＯ１〜０．２％、のうちの１種または２種以上、および希土類元素：０．００１〜０．２％、のいずれか一方、あるいは両方を含有し、残０カーＣｕ
および不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有す
る点に特徴がある。

つぎに、この発明において成分組成範囲を上記のとおり
に限定した理由を述べる。

（ａ）　　ＣｒＣｒ成分には、粒内で微細に析出して軸内強度を高め、
もって合金の常温および高温強度を向上させる作用があ
るが、この含有量が０１％（重量％、以下同様）未満で
は所望の高強度を確保することができず、一方それが２
５％を越えても、よｉｌ　−層の強度向上効果が現われ
ず、逆に溶解、鋳造技術を難かしくすることから、その
含有量をＯＪ〜２．５％と定めた。

（ｂ）　　ＺｒＺｒｌＴＥ分には、微細なＣｕ３Ｚｒの形で主として粒
界に析出し、この析出した金属間化合物が高温における
粒界のすべりを抑制して粒界の強度を上昇させ、それに
より高温における粒界破断による脆化（延性低下）を阻
止し、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効果が得られず
、一方それが０５％を越えても前記作用による一層の改
善効果が得られず、逆に耐食性や延性が低下するように
なることから、その含有量を０．０１〜０．５％と定め
た。

（ｃｌ　　ＴｉおよびＦｅ　＋　Ｎｉ　、　Ｃ。

これらの成分は校内（マトリックス中）に（Ｆｅ　＊　
Ｎｉ　ｚ　Ｃｏ　）工Ｔ　ｉ　ｙなる微細な金属間化合
物の形で析出して、前記Ｃｒの析出と相俟って顕著な強
度向上作用を発揮し、特にＺｒの共存下では高温にたけ
る強度と伸びの両方にすぐれた向上作用を示し、さらに
Ｔｉ対（Ｆｅ　＋Ｎｉ　−１〜Ｃｏ　）の重量比が１７
２〜１であるとき上記作用に一層好ましい結果が得られ
るか、これらの含有量が、Ｔｉ＋二ついて０．０１％未
満、アルいハＦｅ　＋　Ｎｉ　、　Ｃｏについて０１％
未満になると、前記作用に所望の効果が得られず、一方
これが、Ｔｉについて０，７％、あるいはＦ’ｅ　、　
Ｎｉ　、　Ｃｏについて１２％を越えても、前記作用に
一層の向上効果がみられないことから、これら成分の含
有量を、それぞれＴｉについて０．０１〜０．７％、そ
してＦｅ　、　Ｎｉ　。

Ｃｏの１種または２種以上についてＯ，１〜１２％と定
めた。

（ｄ）　　５ｉＳｉ成分には、前記（Ｆｅ　、　Ｎｉ　、　Ｃｏ　）、
ｒＴｉｙ析出相を微細化して、この金属間ｆヒ合物の析
出強化作用を一層顕著にする作用があるが、その含有量
が０００３％未満では前記作用に所望の効果が得られず
、一方それが０．１％を越えると、粗大晶出杓子が現わ
れて、高温の強度および伸びが共に低下することから、
その含有量を０．００３〜０１％と定めた。

（ｅ）　　　Ｓｎ　、　Ｍｎ　＋　Ｚｎ　＋　Ｍｇ　＋
　ＰＳｎは前記各種の析出強化作用と相互に作用し合っ
て、その析出強化能を増大させ、もって合金の耐熱性と
高温強度を一層向上させる作用があ１）、またＭｎ　＊
　Ｚｎ　、　Ｍ、ｇおよびＰは、この発明の合金溶湯に
対し、脱酸剤として作用してそれを清浄化するほか、素
地中に固溶して強度と耐熱性を一層向上させる作用があ
るので、これらの成分は必要に応じて添加されるが、そ
の含有量が、Ｓｎ＋　Ｍｎ　、Ｚｎについて００５％未
満、そしてＭｇ　、　Ｐについて０．００１％未満であ
ると、前記作用に所望の効果がイ！）られす、一方それ
が、Ｓｎ　＋　Ｍｎ　、　Ｚｎについて１２％を越え、
そしてＭｇ　、　Ｐについて０．２％を越えると、引き
続き強度の向上は期待できるものの、延性と電気伝導度
（熱伝導性）の著しい低下を招くようになることから、
これら成分の含有量を、それぞれＳｎ　＋　Ｍｎ　ｒ　
Ｚｎについて０．０５〜１．２％、そしてＭｇ、Ｐにつ
いて０．００１〜０２％と定めた。

（ｆ）　　希土類元素これらの成分には、この発明の合金の強度や熱伝導度を
低下させることなく、その被削性を向上させるとともに
、例えばフラックス（二由来するＳ成分によって生ずる
腐食疲労割れに対する抵抗性、すなわち耐サルファアタ
ック性を改善する作用があるが、その含有量が０．００
１％未満では、上記作用に十分な効果が得られず、一方
それを０２％を越えて含有させると、熱間加工性が害わ
れるようになることから、その含有量をｏ、ｏｏｔ〜０
２％と定めた。

なお、この希土類元素としては、Ｃｅ　Ｉ　ＴＪａ　、
　Ｎｄ　。

Ｐｒ　、　Ｓｍのような元素を１種、または２種以上混
合して使用できることは勿論であり、通常混合物の形で
人手し易い希土類元素、例えばミツシュメタルを使用す
るのが便利である。

〔実施例〕

ついで、比較例と対比しながら、この発明を実施例によ
って説明する。

通常の真空溶解炉を用い、黒鉛るつぼ中で、それぞれ第
１表；二示される成分組成をもったＣｕ合金溶湯：５Ｋ
ｇを溶製し、金型鋳萌し、ついで面側後、熱間鍛潰、熱
間王延を旌して幅：、ｔＯＯｍｍＸ厚さ＝５郡の板材と
し、これを適当な長さに切断してから、引続いてこれら
の板材に、温度：９８０℃に３０分間保持の溶体化処理
後水焼入れの焼入れ処理、および温度：５００℃に２時
間保持の時効処理からなる熱処理を施すことによって、
本発明Ｃｕ合金板材１〜２２および従来Ｃｕ合金板材１
〜５をそれぞれ製造した。　ただし、従来Ｃｕ合金板材
１および２に対する時効処理は、それぞれ４５０℃Ｘ１
時間、および４７５℃×２時間の条件の下で遂行した。

ついで、この結果得られた本発明Ｃｕ合金板材１〜２２
および従来Ｃｕ合金板材１〜５について、電気伝導度を
測定するとともに、常温引張試験、高温引張試験、耐熱
試験、および熱サイクル疲労試験をそれぞれ実施した。

なお、高温引張試験は、試料を温度＝５００℃に１０分
間保持後の引張特性を測定するものであり、また耐熱試
験は、試料の温度を４５０°Ｃからｆ；　Ｏ０℃までの
温度範囲で１０℃間隔で１時間保持の焼鈍試験を実施し
、各温度に１時間保持してから室温まで空冷した後の試
料の硬さが、もとの値の９０％まで低下する温度を測定
して、これを耐熱温度とするものであｌ〕、さらに熱サ
イクル疲労試験は、第３図の側面図で示されるような熱
疲労試験装置Ａを使用し、この試験装置Ａにおいて、中
央部１二切欠部が形成されている試験片１、試験片ホル
ダー２に固定して、試験片■をホルダー２で保持し、こ
のホルダー２を、回転軸３から９０′の角度間隔で放射
状に４個延びているホルダー支持棒４に取付けた後、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℃の最高温度に加減に
′ついで、回□。

転軸３を自動的に９０′回転して、その加熱された試験
片ｌを直ちに水７の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所定時間加
熱し、このような加熱と急冷からなる一連の操作を各試
験ｇｌについて５００サイクル遂行した後、試験片ｌの
前記切欠部において生ずる割れと変形の発生を調査する
ものである。

以上の測定結果および試験結果を第２表に示した。　な
お、第２表中、σＢ、σｏ２、δはそれぞれ引張強さ、
０２％耐力、および伸びを示している。

〔発明の効果〕

第２表に示される結果から、従来Ｃｕ合金板利１および
２は強度が劣や〕、同■および３は品温延性（高温伸び
）が著しく小さく、同４および５は延性が低く、またこ
れらの従来Ｃｕ合金板材では、熱ザイクル疲労試験にお
いて割れが発生したり、あるいは早期に変形を生じたの
に対し、本発明Ｃｕ合金板Ｕ’　１〜２２においては、
いずれも引張強度、伸び、電気伝導度（た熱伝導度）ぢ
よび耐熱温度について、全般にバランスよくすぐれた値
が得られる上に、熱サイクル疲労試験では割れの発生が
全くなく、変形も殆ど起こさないことがわかる。

以上述べたように、この発明のＣｕ合金は、高い高温強
度、高温延性、耐熱性をバランスよく維持しながら、特
にすぐれた耐熱疲労性を発揮するので、これを特に苛酷
な熱疲労発生環境下で使用される部材、例えば鋳造鋳型
、特に急冷凝固薄帯製造用の水冷回転ロールや電磁攪拌
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
造鋳型の材料として用いた場合にも、これらの部材にお
いて熱疲労に基づく割れや変形の発生を著しく抑制でき
るので、前記鋳型のような部材が極めて長期にわたった
使用できるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において使用した熱疲労試験
装置を示す側面図である。　図において１・・・試験片
、　　　　　２・・試験片ホルダー。５・・プロパンバーナー、７・・・水。Ａ・・・熱疲労試験装置。

Claims

【特許請求の範囲】（１）Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．７％、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｏのうちの１種または２種以上：
０．１〜１．２％、Ｓｉ：０．００３〜０．１％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成
（以上重量％）を有することを特徴とする、耐熱疲労性
にすぐれた高強度銅合金。Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．７％、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｏのうちの１種または２種以上：
０．１〜１．２％、Ｓｉ：０．００３〜０．１％、を含有し、さらにＳｎ：０．０５〜１．２％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｚｎ：０．０５〜１．２％、Ｍｇ：０．００１〜０．２％、Ｐ：０．００１〜０．２％、のうちの１種または２種以上を含有し、残りがＣｕおよ
び不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有するこ
とを特徴とする、耐熱疲労性にすぐれた高強度銅合金。（３）Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．７％、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｏのうちの１種または２種以上：
０．１〜１．２％、Ｓｉ：０．００３〜０．１％、を含有し、さらに希土類元素：０．００１〜０．２％、を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成
（以上重量％）を有することを特徴とする、耐熱疲労性
にすぐれた高強度銅合金。（４）Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．７％、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｏのうちの１種または２種以上：
０．１〜１．２％、Ｓｉ：０．００３〜０．１％、を含有し、さらにＳｎ：０．０５〜１．２％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｚｎ：０．０５〜１．２％、Ｍｇ：０．００１〜０．２％、Ｐ：０．００１〜０．２％、のうちの１種または２種以上、および希土類元素：０．００１〜０．２％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成
（以上重量％）を有することを特徴とする、耐熱疲労性
にすぐれた高強度銅合金。