JP2011149070A - 銅合金及び銅合金の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた熱間加工性を有する銅合金及び銅合金の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る銅合金は、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第１の元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる第２の元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の元素群から選択される１つの元素群と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、硫黄（Ｓ）と、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とからなり、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である。
【選択図】図２
【解決手段】本発明に係る銅合金は、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第１の元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる第２の元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の元素群から選択される１つの元素群と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、硫黄（Ｓ）と、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とからなり、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である。
【選択図】図２
Description
本発明は、銅合金及び銅合金の製造方法に関する。特に、本発明は、析出強化型銅合金の銅合金及びその製造方法に関する。
コルソン合金と呼ばれるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金等の析出強化型銅合金は、熱処理により特定の化合物を析出させ、強度及び導電性を向上させる銅合金である。しかし、銅の濃度が高い（例えば９０質量％程度）析出強化型銅合金においては、化合物の析出量が多く、熱間加工時に割れが発生する原因となる。
従来の銅合金の製造方法として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｍｇ系合金にＢを特定量添加することによって、Ｎｉ−Ｐ−Ｍｇ系化合物の結晶粒界への晶出又は析出を抑制し、また、鋳造時の冷却速度を制御することで粗大なＮｉ−Ｐ−Ｍｇ−Ｂ系化合物及びＰ−Ｂ系化合物の生成を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の銅合金は、上記製造方法により形成されることにより、優れた熱間加工性を有する。
しかし、一般に、銅合金の原料の圧延時に用いられる油や、原料の製品識別用のラベル等から硫黄（Ｓ）が銅合金中に混入することが多い。Ｓは融点が低く、一般に、銅合金を鋳造する際に母相であるＣｕよりも後に凝固するため、結晶粒界に偏析しやすい。そして、銅合金の鋳塊を熱間圧延する前の熱処理において、偏析したＳが融解し、結晶粒界に隙間が生じてしまう。このため、銅合金が低融点のＳを含んだままでは、結晶の粒界強度が大幅に低下し、熱間加工時等に割れが生じるおそれがある。したがって、優れた熱間加工性を有する銅合金を形成するためには、融点の低い硫黄（Ｓ）を無害化することも必要になる。
したがって、本発明の目的は、優れた熱間加工性を有する銅合金及び銅合金の製造方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第１の元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる第２の元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の元素群から選択される１つの元素群と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、硫黄（Ｓ）と、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とからなり、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である銅合金が提供される。
また、上記銅合金は、前記鋳造方向に垂直な断面の輪郭から内側に６０ｍｍの領域における平均結晶粒径が１．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましい。
また、上記銅合金は、前記第１の元素群の前記ニッケルの含有量は１．５質量％以上９．０質量％以下、前記第１の元素群の前記シリコンの含有量は０．３質量％以上２．５質量％以下、前記第２の元素群の前記ジルコニウムの含有量は０．０１質量％以上０．２５質量％以下、前記第２の元素群の前記クロムの含有量は０．０３質量％以上０．５質量％以下、前記第３の元素群の前記チタンの含有量は１．２質量％以上５．１質量％以下、前記第３の元素群のシリコン（Ｓｉ）の含有量は０．０２質量％以上０．５質量％以下、前記スズの含有量は０．０１質量％以上０．５質量％以下、前記リンの含有量は０．０１質量％以上０．４５質量％以下、前記鉄の含有量は０．０１質量％以上０．０７質量％以下、前記亜鉛の含有量は０．５質量％以上２．７質量％以下、前記アルミニウムの含有量は０．３質量％以上４．６質量％以下、前記硫黄の含有量は０．０００１質量％以上０．００１質量％以下であり、０．００００１質量％以上０．０００１質量％以下の水素（Ｈ）を更に含むことが好ましい。
また、本発明は、上記目的を達成するため、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる元素群から選択される１つの元素群と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素とを溶解炉中で溶解して溶湯を形成する溶解工程と、前記溶湯を前記溶解炉から移送樋を介して鋳造樋に移送する移送工程と、前記鋳造樋内で前記溶湯にマグネシウム（Ｍｇ）を連続的に添加する添加工程と、前記マグネシウム（Ｍｇ）を添加した前記溶湯を前記鋳造樋から鋳型に注湯して凝固させることで鋳塊を鋳造する鋳造工程とを備える銅合金の製造方法が提供される。
また、上記銅合金の製造方法は、前記添加工程における前記マグネシウム（Ｍｇ）の添加速度Ｖ（ｇ／ｍｉｎ）と前記鋳造工程における前記鋳塊の鋳造速度ｃ（ｃｍ３／ｍｉｎ）の関係が、０．００６≦Ｖ／ｃ≦０．０３８であることが好ましい。
また、上記銅合金の製造方法は、前記添加工程において、横断面内のマグネシウム（Ｍｇ）の面積率が５０％以上７０％以下であるマグネシウム線材を前記マグネシウム（Ｍｇ）の原料として用いることが好ましい。
また、上記銅合金の製造方法は、前記添加工程における前記鋳造樋内の前記溶湯のレイノルズ数が、１０００以上２５０００以下であることが好ましい。
また、上記銅合金の製造方法は、前記添加工程における前記マグネシウム（Ｍｇ）を添加する直前の前記溶湯の酸素濃度が０．００１５質量％以上０．００３質量％以下であることが好ましい。
本発明に係る銅合金及び銅合金の製造方法によれば、優れた熱間加工性を有する銅合金及び銅合金の製造方法を提供できる。
［実施の形態の要約］
本発明の実施の形態に係る銅合金は、析出強化型銅合金（例えば、コルソン合金と呼ばれるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金や、Ｃｕ−Ｃｒ系銅合金、Ｃｕ−Ｔｉ系銅合金等）であって、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第１の元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる第２の元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の元素群から選択される１つの元素群（すなわち、ニッケル（Ｎｉ）とシリコン（Ｓｉ）の組、ジルコニウム（Ｚｒ）とクロム（Ｃｒ）の組、およびチタン（Ｔｉ）とシリコン（Ｓｉ）の組の中のいずれか１つの組）と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、硫黄（Ｓ）と、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とからなり、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である。
本発明の実施の形態に係る銅合金は、析出強化型銅合金（例えば、コルソン合金と呼ばれるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金や、Ｃｕ−Ｃｒ系銅合金、Ｃｕ−Ｔｉ系銅合金等）であって、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第１の元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる第２の元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の元素群から選択される１つの元素群（すなわち、ニッケル（Ｎｉ）とシリコン（Ｓｉ）の組、ジルコニウム（Ｚｒ）とクロム（Ｃｒ）の組、およびチタン（Ｔｉ）とシリコン（Ｓｉ）の組の中のいずれか１つの組）と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、硫黄（Ｓ）と、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とからなり、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である。
（銅合金）
本発明の実施の形態に係る銅合金は、例えば、コルソン合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金）や、その他の析出強化型銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ系銅合金、Ｃｕ−Ｔｉ系銅合金、Ｃｕ−Ｂｅ系銅合金等）であり、所定量のＮｉ、所定量のＳｉからなる第１の材料群、所定量のＺｒ、所定量のＣｒからなる第２の材料群、所定量のＴｉ、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の材料群から選択される１つの材料群と、母材としてのＣｕ及び不可避的不純物とから形成される。なお、第１の材料群のシリコン（Ｓｉ）と第３の材料群のシリコン（Ｓｉ）の銅合金に含まれる量の範囲は異なる。また、本実施の形態に係る銅合金は、Ｓｎ、Ｐ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１つの元素と、所定量のＳと、所定量のＭｇを更に含む。Ｃｕとしては、無酸素銅が挙げられる。
本発明の実施の形態に係る銅合金は、例えば、コルソン合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金）や、その他の析出強化型銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ系銅合金、Ｃｕ−Ｔｉ系銅合金、Ｃｕ−Ｂｅ系銅合金等）であり、所定量のＮｉ、所定量のＳｉからなる第１の材料群、所定量のＺｒ、所定量のＣｒからなる第２の材料群、所定量のＴｉ、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の材料群から選択される１つの材料群と、母材としてのＣｕ及び不可避的不純物とから形成される。なお、第１の材料群のシリコン（Ｓｉ）と第３の材料群のシリコン（Ｓｉ）の銅合金に含まれる量の範囲は異なる。また、本実施の形態に係る銅合金は、Ｓｎ、Ｐ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１つの元素と、所定量のＳと、所定量のＭｇを更に含む。Ｃｕとしては、無酸素銅が挙げられる。
具体的に、本実施の形態に係る銅合金中の元素の含有量は、例えば、第１の元素群のニッケルが１．５質量％以上９．０質量％以下、第１の元素群のシリコンが０．３質量％以上２．５質量％以下、第２の元素群のジルコニウムが０．０１質量％以上０．２５質量％以下、第２の元素群のクロムが０．０３質量％以上０．５質量％以下、第３の元素群のチタンの含有量が１．２質量％以上５．１質量％以下、第３の元素群のシリコン（Ｓｉ）が０．０２質量％以上０．５質量％以下、スズが０．０１質量％以上０．５質量％以下、リンが０．０１質量％以上０．４５質量％以下、鉄が０．０１質量％以上０．０７質量％以下、亜鉛が０．５質量％以上２．７質量％以下、アルミニウムが０．３質量％以上４．６質量％以下、硫黄が０．０００１質量％以上０．００１質量％以下であり、残部が銅と不可避的不純物とから形成される。
また、本発明の実施の形態に係る銅合金は、鋳造方向に垂直な断面の輪郭から内側に６０ｍｍの領域における平均結晶粒径が１．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下（結晶数は例えば４０〜７０個／ｃｍ２）であることが好ましい。これは、銅合金の結晶が微細な場合、割れに対する耐性が向上するためである。
本実施の形態に係る銅合金に含まれるＭｇは、銅合金に含まれるＳと結合し、Ｓ単体よりも融点の高いＭｇとＳの化合物を形成する。これにより、上述した銅合金に含まれるＳに起因する銅合金の割れを抑制することができる。また、製造工程において、Ｍｇの酸化物が銅合金鋳塊の鋳造組織の凝固核を生成することにより、銅合金の結晶を微細化させて銅合金の割れに対する耐性を向上させることができる。
本実施の形態に係る銅合金に含まれるＳは、原料の圧延時に用いられる油や、原料の製品識別用のラベル等から混入するものであるが、上述したように、その多くがＭｇとの化合物として存在する。
（銅合金中のＭｇ濃度について）
銅合金に含まれるＭｇの濃度が０．０１質量％を下回る場合は、銅合金に含まれるＳとの化合物が十分に形成されずに、融点の低いＳが残留するため、銅合金の割れが発生するおそれが高い。逆に、銅合金に含まれるＭｇの濃度が０．０５質量％を上回る場合は、銅合金の強度が高まりすぎて、熱間加工性が悪化するおそれがある。
銅合金に含まれるＭｇの濃度が０．０１質量％を下回る場合は、銅合金に含まれるＳとの化合物が十分に形成されずに、融点の低いＳが残留するため、銅合金の割れが発生するおそれが高い。逆に、銅合金に含まれるＭｇの濃度が０．０５質量％を上回る場合は、銅合金の強度が高まりすぎて、熱間加工性が悪化するおそれがある。
また、銅合金の結晶を微細化させて銅合金の割れに対する耐性を向上させるためには、製造工程において、銅合金の原料を溶かした溶湯中にＭｇ酸化物を均一に分散させることが求められる。このため、本実施の形態に係る銅合金中のＭｇ濃度はほぼ均一であり、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である。
（銅合金の製造方法）
図１は、本発明の実施の形態に係る銅合金の製造工程の概要を示し、図２は、本発明の実施の形態に係る銅合金の製造の流れの一例を示す。
図１は、本発明の実施の形態に係る銅合金の製造工程の概要を示し、図２は、本発明の実施の形態に係る銅合金の製造の流れの一例を示す。
本実施の形態に係る銅合金の銅合金鋳塊３０は、銅合金製造装置１により製造される。銅合金製造装置１は、一例として、銅及び不可避的不純物と、銅合金鋳塊３０に含まれる元素とを含む原料が溶解される溶解炉１０と、溶解炉１０内で溶解された原料からなる溶湯２０が移送樋１２を介して供給される鋳造樋１４と、鋳造樋１４において所定の処理が施された溶湯２０が供給される鋳型１８とを備える。鋳型１８に供給された溶湯２０は、鋳型１８との接触部分で冷却され、銅合金鋳塊３０になる。
具体的に、本実施の形態に係る銅合金の製造の流れの一例を、図２を参照しつつ説明する。
まず、製造すべき銅合金の原料を準備して、準備した原料を溶解炉１０に投入する。例えば、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｐ、Ｆｅ、及びＺｎのそれぞれを溶解炉１０に投入する。そして、溶解炉１０を所定の温度に加熱して、原料を溶解炉１０中で溶解することにより溶湯２０を形成する（溶解工程：ステップ１０、以下、ステップを「Ｓ」と称する）。
次に、溶湯２０を溶解炉１０から移送樋１２を介して鋳造樋１４に移送する（移送工程：Ｓ２０）。
次に、溶湯２０を鋳造樋１４内に一時的に保持し、酸素濃度及びレイノルズ数を調整する（調整工程：Ｓ３０）。
次に、鋳造樋１４内で溶湯２０にＭｇを所定の速度で連続的に添加する（添加工程：Ｓ４０）。添加されたＭｇは溶湯２０内で酸化され、銅合金鋳塊３０の鋳造組織の凝固核となるＭｇ酸化物が生成される。
次に、溶湯２０を鋳造樋１４から鋳型１８に注湯して凝固させることで銅合金鋳塊３０を鋳造する（鋳造工程：Ｓ５０）。このとき、銅合金鋳塊３０の鋳造速度は、前述した添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度との関係（０．００６≦Ｖ／ｃ≦０．０３８）を満たすように調整される。
（溶湯２０のレイノルズ数について）
調整工程Ｓ３０において、鋳造樋１４内の溶湯２０のレイノルズ数は１０００以上２５０００以下に調整される。これにより、添加工程Ｓ４０において、溶湯２０内にＭｇ酸化物を均一に分散させることができる。
調整工程Ｓ３０において、鋳造樋１４内の溶湯２０のレイノルズ数は１０００以上２５０００以下に調整される。これにより、添加工程Ｓ４０において、溶湯２０内にＭｇ酸化物を均一に分散させることができる。
溶湯２０のレイノルズ数が１０００を下回る場合は、鋳造樋１４内における溶湯２０の深さ方向の流れがほとんどなく、添加工程Ｓ４０において添加するＭｇが溶湯２０全域に均一に行き渡らない。そのため、溶湯２０の湯面近傍のＭｇの濃度が高く、底部近傍のＭｇの濃度が低くなり、溶湯２０内のＭｇ酸化物の分布が不均一になる。
また、溶湯２０のレイノルズ数が２５０００を上回る場合は、鋳造樋１４内の溶湯２０の乱れが大きくなり、湯面を被覆しているカーボン系の材料に亀裂が生じ、また、湯面が活性化し、より酸素を取り込みやすい状態となる。そのため、添加工程Ｓ４０において添加するＭｇの酸化が異常促進され、溶湯２０内のＭｇ酸化物が、銅合金鋳塊３０の鋳造組織の凝固核を生成することができなくなる。
（溶湯２０の酸素濃度について）
調整工程Ｓ３０において、鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度は０．００１５質量％以上０．００３質量％以下に調整される。これにより、添加工程Ｓ４０において、銅合金鋳塊３０の鋳造組織の凝固核を生成するために適切な量のＭｇ酸化物を溶湯２０内に生成することができる。
調整工程Ｓ３０において、鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度は０．００１５質量％以上０．００３質量％以下に調整される。これにより、添加工程Ｓ４０において、銅合金鋳塊３０の鋳造組織の凝固核を生成するために適切な量のＭｇ酸化物を溶湯２０内に生成することができる。
溶湯２０の酸素濃度が０．００１５質量％を下回る場合、凝固核を生成するために必要な量のＭｇ酸化物が生成されない。
また、溶湯２０の酸素濃度が０．００３質量％を上回る場合、過剰なＭｇ酸化物が生成され、粗大な酸化スラグが形成される。酸化スラグは、続けて生成されるＭｇ酸化物を取り込んで凝集する傾向があり、凝固核の生成に寄与しない。また、酸化スラグは、鋳造樋１４の注湯口をつまらせて、鋳型１８への溶湯２０の注湯を妨げるおそれがある。
（Ｍｇ添加速度と銅合金鋳塊３０の鋳造速度について）
添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度と、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度は、これらが所定の関係を満たすように制御される。これにより、銅合金鋳塊３０の鋳造組織の凝固核を生成するために適切な量のＭｇ酸化物を溶湯２０内に形成することができる。
添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度と、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度は、これらが所定の関係を満たすように制御される。これにより、銅合金鋳塊３０の鋳造組織の凝固核を生成するために適切な量のＭｇ酸化物を溶湯２０内に形成することができる。
具体的には、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖ（ｇ／ｍｉｎ）と後述する鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃ（ｃｍ３／ｍｉｎ）の関係が、０．００６≦Ｖ／ｃ≦０．０３８を満たすように、Ｍｇの添加速度が調整される。
銅合金鋳塊３０の鋳造速度に対するＭｇの添加速度が遅すぎる場合（Ｖ／ｃ＜０．００６）、Ｍｇ酸化物が溶湯２０内に蓄積され、凝固核の生成に寄与しない粗大な酸化スラグとなる。
また、銅合金鋳塊３０の鋳造速度に対するＭｇの添加速度が速すぎる場合（０．０３８＜Ｖ／ｃ）、単位時間当たりのＭｇ酸化物の生成量が過剰になり、遅すぎる場合と同様に、凝固核の生成に寄与しない粗大な酸化スラグとなる。
（マグネシウム線材について）
添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が５０％以上７０％以下であるマグネシウム線材が用いられる。さらに具体的には、例えば、含有酸素濃度が０．０００３質量％以下で、かつ厚さが０．５ｍｍ以下のパイプ状の無酸素銅条の内部に、直径が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の純Ｍｇ粒が充填された、ＭｇとＣｕの複合材料が、マグネシウム線材として用いられる。
添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が５０％以上７０％以下であるマグネシウム線材が用いられる。さらに具体的には、例えば、含有酸素濃度が０．０００３質量％以下で、かつ厚さが０．５ｍｍ以下のパイプ状の無酸素銅条の内部に、直径が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の純Ｍｇ粒が充填された、ＭｇとＣｕの複合材料が、マグネシウム線材として用いられる。
マグネシウム線材内の横断面内のＭｇの面積率が５０％を下回る場合、マグネシウム線材を溶湯２０に添加する際に、マグネシウム線材に含まれる酸素とＭｇが反応してＭｇ酸化物が生成され、Ｍｇを溶湯２０中に適切に添加することができない。また、Ｍｇ酸化物の生成量が過剰になり、凝固核の生成に寄与しない粗大な酸化スラグとなる。
また、マグネシウム線材内の横断面内のＭｇの面積率が７０％を上回る場合、溶湯２０中に一度に添加されるＭｇの量が過剰になり、溶湯２０の湯面近傍のＭｇ濃度が高くなり、溶湯２０内のＭｇ酸化物の分布が不均一になる。
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、銅合金の原料を溶かした溶湯に適切な量のＭｇを添加してＳと結合させることにより、銅合金中の低融点物質を減らし、熱間加工前の熱処理等における割れの発生を抑制することができる。
本発明の実施の形態によれば、銅合金の原料を溶かした溶湯に適切な量のＭｇを添加してＳと結合させることにより、銅合金中の低融点物質を減らし、熱間加工前の熱処理等における割れの発生を抑制することができる。
また、本発明の実施の形態によれば、銅合金の原料を溶かした溶湯中に、適量のＭｇ酸化物を均一に分散させて銅合金鋳塊の鋳造組織の凝固核を生成することにより、銅合金の結晶を微細化させて熱間加工時等における銅合金の割れに対する耐性を向上させることができる。
以下に、実施の形態に基づいて製造した実施例１〜１０に係る銅合金鋳塊と、比較例１〜４に係る銅合金鋳塊とについて説明する。
実施例１〜１０に係る銅合金鋳塊は、実施の形態に示した製造条件（調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比、および添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料についての条件）を満たす製造工程により形成した。一方、比較例１〜４に係る銅合金鋳塊は、実施の形態に示した製造条件を満たさない製造工程により形成した。
実施例１に係る銅合金鋳塊として、２．５質量％のＮｉと、０．４５質量％のＳｉと、０．０２質量％のＰと、１．６５質量％のＺｎと、０．０３５質量％のＦｅと、０．００００５質量％のＨと、０．０００５質量％のＳと、０．０１７質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例１に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２８質量％及び１５０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０１に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６０％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例２に係る銅合金鋳塊として、３．２質量％のＮｉと、０．７４質量％のＳｉと、０．２３質量％のＳｎと、０．０３質量％のＰと、１．８５質量％のＺｎと、０．０４９質量％のＦｅと、０．００００９質量％のＨと、０．０００４質量％のＳと、０．０４１質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例２に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２３質量％及び２３０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０３に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６４％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例３に係る銅合金鋳塊として、５．９質量％のＮｉと、１．４３質量％のＳｉと、０．１７質量％のＳｎと、０．０２質量％のＰと、２．４１質量％のＺｎと、０．０１２質量％のＦｅと、０．００００６質量％のＨと、０．０００６質量％のＳと、０．０３９質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例３に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００１８質量％及び１７０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０３に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が５２％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例４に係る銅合金鋳塊として、６．７質量％のＮｉと、１．８５質量％のＳｉと、０．２質量％のＳｎと、０．０２質量％のＰと、１．８３質量％のＺｎと、０．０２８質量％のＦｅと、０．００００３質量％のＨと、０．０００５質量％のＳと、０．０４７質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例４に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２５質量％及び７０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０３３に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６４％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例５に係る銅合金鋳塊として、０．３５質量％のＳｉと、３．５質量％のＴｉと、０．０１質量％のＰと、０．００００４質量％のＨと、０．０００６質量％のＳと、０．０４質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例５に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００１９質量％及び２０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０２８に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６５％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例６に係る銅合金鋳塊として、０．０４２質量％のＳｉと、４．８質量％のＴｉと、０．０１質量％のＰと、０．６６質量％のＺｎと、０．００００６質量％のＨと、０．０００３質量％のＳと、０．２５質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例６に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００３質量％及び８０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０１９に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６２％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例７に係る銅合金鋳塊として、０．２４質量％のＣｒと、０．０８質量％のＺｒと、０．１５質量％のＳｎと、０．０１質量％のＰと、０．００００７質量％のＨと、０．０００５質量％のＳと、０．０３質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例７に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２２質量％及び１２０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０１５に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が５４％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例７に係る銅合金鋳塊として、０．１８質量％のＣｒと、０．１１質量％のＺｒと、０．１１質量％のＳｎと、０．３質量％のＺｎと、０．００００３質量％のＨと、０．０００４質量％のＳと、０．０４３質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例７に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２４質量％及び２００００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０３に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６０％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例９に係る銅合金鋳塊として、０．４質量％のＣｒと、０．１６質量％のＺｒと、０．２５質量％のＳｎと、０．０１質量％のＰと、０．００００９質量％のＨと、０．０００６質量％のＳと、０．０１６質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例９に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２３質量％及び９０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．００８に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が５９％であるマグネシウム線材を用いた。
実施例１０に係る銅合金鋳塊として、７．２質量％のＮｉと、０．０２３質量％のＳｉと、０．０５質量％のＰと、０．０５７質量％のＦｅと、２．４質量％のＡｌと、０．００００４質量％のＨと、０．０００３質量％のＳと、０．０３６質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、実施例１０に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００２５質量％及び４０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０２２に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が５５％であるマグネシウム線材を用いた。
（比較例１）
比較例１に係る銅合金鋳塊として、３．４質量％のＮｉと、０．５９質量％のＳｉと、０．２質量％のＳｎと、０．０２質量％のＰと、１．６質量％のＺｎと、０．０３９質量％のＦｅと、０．００００６質量％のＨと、０．００１４質量％のＳと、０．００６質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
比較例１に係る銅合金鋳塊として、３．４質量％のＮｉと、０．５９質量％のＳｉと、０．２質量％のＳｎと、０．０２質量％のＰと、１．６質量％のＺｎと、０．０３９質量％のＦｅと、０．００００６質量％のＨと、０．００１４質量％のＳと、０．００６質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、比較例１に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００３７質量％及び２８０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．００３に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が４０％であるマグネシウム線材を用いた。
（比較例２）
比較例２に係る銅合金鋳塊として、４．７質量％のＮｉと、０．９４質量％のＳｉと、０．２４質量％のＳｎと、０．０３質量％のＰと、１．７１質量％のＺｎと、０．０３質量％のＦｅと、０．００００６質量％のＨと、０．０００７質量％のＳと、０．０７５質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
比較例２に係る銅合金鋳塊として、４．７質量％のＮｉと、０．９４質量％のＳｉと、０．２４質量％のＳｎと、０．０３質量％のＰと、１．７１質量％のＺｎと、０．０３質量％のＦｅと、０．００００６質量％のＨと、０．０００７質量％のＳと、０．０７５質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、比較例２に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００１１質量％及び１２００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０５５に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が６４％であるマグネシウム線材を用いた。
（比較例３）
比較例３に係る銅合金鋳塊として、０．４１質量％のＳｉと、３．７質量％のＴｉと、０．０１質量％のＰと、０．００００４質量％のＨと、０．０００３質量％のＳと、０．０９７質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
比較例３に係る銅合金鋳塊として、０．４１質量％のＳｉと、３．７質量％のＴｉと、０．０１質量％のＰと、０．００００４質量％のＨと、０．０００３質量％のＳと、０．０９７質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、比較例３に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００１２質量％及び２６０００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０５９に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が８８％であるマグネシウム線材を用いた。
（比較例４）
比較例４に係る銅合金鋳塊として、０．２６質量％のＣｒと、０．０６質量％のＺｒと、０．１７質量％のＳｎと、０．０２質量％のＰと、０．００００７質量％のＨと、０．０００５質量％のＳと、０．１５質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
比較例４に係る銅合金鋳塊として、０．２６質量％のＣｒと、０．０６質量％のＺｒと、０．１７質量％のＳｎと、０．０２質量％のＰと、０．００００７質量％のＨと、０．０００５質量％のＳと、０．１５質量％のＭｇを含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金鋳塊を製造した。
なお、比較例４に係る銅合金鋳塊の製造においては、調整工程Ｓ３０における鋳造樋１４内の溶湯２０の酸素濃度及びレイノルズ数を、それぞれ０．００１質量％及び１４００に調整した。
また、添加工程Ｓ４０におけるＭｇの添加速度Ｖと、鋳造工程Ｓ５０における銅合金鋳塊３０の鋳造速度ｃの比Ｖ／ｃを、０．０６６に調整した。
また、添加工程Ｓ４０において添加されるＭｇの原料として、横断面内のＭｇの面積率が７９％であるマグネシウム線材を用いた。
（銅合金鋳塊の評価）
実施例１〜１０、及び比較例１〜４に係る銅合金鋳塊の各々に対し、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化、鋳造方向に垂直な断面の輪郭から内側に６０ｍｍの領域における平均結晶粒径、及び熱間加工時の割れについて、評価を行った。
実施例１〜１０、及び比較例１〜４に係る銅合金鋳塊の各々に対し、鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化、鋳造方向に垂直な断面の輪郭から内側に６０ｍｍの領域における平均結晶粒径、及び熱間加工時の割れについて、評価を行った。
表１に、実施例１〜１０、及び比較例１〜４に係る銅合金鋳塊の評価結果を示す。
表１に示されるように、実施例１〜１０に係る銅合金鋳塊は、熱間圧延加工時に表面及び内部に割れが発生しなかった。一方、比較例１〜４に係る銅合金鋳塊は、熱間圧延加工時に表面又は内部に割れが発生した。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１ 銅合金製造装置
１０ 溶解炉
１２ 移送樋
１４ 鋳造樋
１８ 鋳型
２０ 溶湯
３０ 銅合金鋳塊
１０ 溶解炉
１２ 移送樋
１４ 鋳造樋
１８ 鋳型
２０ 溶湯
３０ 銅合金鋳塊
Claims (8)
- ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第１の元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる第２の元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる第３の元素群から選択される１つの元素群と、
スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、
硫黄（Ｓ）と、
０．０１質量％以上０．０５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、
を含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とからなり、
鋳造方向の単位長さあたりのＭｇ濃度の変化が０．００４質量％／ｍ以下である銅合金。 - 前記鋳造方向に垂直な断面の輪郭から内側に６０ｍｍの領域における平均結晶粒径が１．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である請求項１に記載の銅合金。
- 前記第１の元素群の前記ニッケルの含有量は１．５質量％以上９．０質量％以下、前記第１の元素群の前記シリコンの含有量は０．３質量％以上２．５質量％以下、前記第２の元素群の前記ジルコニウムの含有量は０．０１質量％以上０．２５質量％以下、前記第２の元素群の前記クロムの含有量は０．０３質量％以上０．５質量％以下、前記第３の元素群の前記チタンの含有量は１．２質量％以上５．１質量％以下、前記第３の元素群のシリコン（Ｓｉ）の含有量は０．０２質量％以上０．５質量％以下、前記スズの含有量は０．０１質量％以上０．５質量％以下、前記リンの含有量は０．０１質量％以上０．４５質量％以下、前記鉄の含有量は０．０１質量％以上０．０７質量％以下、前記亜鉛の含有量は０．５質量％以上２．７質量％以下、前記アルミニウムの含有量は０．３質量％以上４．６質量％以下、前記硫黄の含有量は０．０００１質量％以上０．００１質量％以下であり、
０．００００１質量％以上０．０００１質量％以下の水素（Ｈ）を更に含む請求項２に記載の銅合金。 - ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる元素群、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）からなる元素群、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）からなる元素群から選択される１つの元素群と、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素とを溶解炉中で溶解して溶湯を形成する溶解工程と、
前記溶湯を前記溶解炉から移送樋を介して鋳造樋に移送する移送工程と、
前記鋳造樋内で前記溶湯にマグネシウム（Ｍｇ）を連続的に添加する添加工程と、
前記マグネシウム（Ｍｇ）を添加した前記溶湯を前記鋳造樋から鋳型に注湯して凝固させることで鋳塊を鋳造する鋳造工程と
を備える銅合金の製造方法。 - 前記添加工程における前記マグネシウム（Ｍｇ）の添加速度Ｖ（ｇ／ｍｉｎ）と前記鋳造工程における前記鋳塊の鋳造速度ｃ（ｃｍ３／ｍｉｎ）の関係が、０．００６≦Ｖ／ｃ≦０．０３８である請求項４に記載の銅合金の製造方法。
- 前記添加工程において、横断面内のマグネシウム（Ｍｇ）の面積率が５０％以上７０％以下であるマグネシウム線材を前記マグネシウム（Ｍｇ）の原料として用いる請求項５に記載の銅合金の製造方法。
- 前記移送工程と前記添加工程の間に、前記鋳造樋内の前記溶湯のレイノルズ数を１０００以上２５０００以下に調整する調整工程を含む請求項６に記載の銅合金の製造方法。
- 前記調整工程において、前記溶湯の酸素濃度を０．００１５質量％以上０．００３質量％以下に調整する請求項７に記載の銅合金の製造方法。
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| JP2012061507A (ja) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 銅合金鋳塊及びその製造方法 |
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