JP3769271B2 - 合金の溶製方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バージン原料及びスクラップ材を、被溶解原料として、溶解炉内に積層した形態で溶解させることにより、主元素である銅又は銅及び亜鉛とこれより添加量の少ない一種以上の添加元素とからなる合金を溶製する方法であって、特に、主元素に比して軽比重，高融点で且つ酸素との化学的親和力の高い特定元素が添加元素として含まれている合金の溶製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一種以上の主元素（銅又は銅及び亜鉛）とこれより添加量の少ない一種以上の添加元素とからなる銅合金等の合金を溶製する場合にあっては、一般に、バージン原料（一般に、主元素についてはインゴット材であり、添加元素については粉粒材（例えば、インゴットを粉粒状に破砕したもの）である）及び当該合金を構成する元素群の一部又は全部からなるスクラップ材（廃棄製品、不良製品，不良押出材，製造工程において発生する製造屑，切屑等）を、被溶解原料として、溶解炉内に積層した形態で溶解させるが、主元素に比して軽比重，高融点で且つ酸素との化学的親和力の高い元素（以下「特定元素」という）が添加元素として含まれている合金については、当該特定元素の歩留まりや合金鋳塊（インゴット）の品質が低いといった問題が指摘されている。
【０００３】
すなわち、溶解時においては、特定元素のバージン原料は、融点が高いため他の被溶解原料に比して溶解速度が遅く、しかも比重が軽いために湯面上に浮上してしまうことになる。そして、湯面上に浮上した特定元素は、酸素に対する化学的親和力が強く酸化され易いものであるから、他の被溶解原料が溶解される前に酸化されて、厚い酸化膜を形成してしまうことになり、更に溶解困難な状態となる。その結果、特定元素の歩留まりが頗る悪くなり、また溶解後の鋳造により得られる合金鋳塊の品質が特定元素の酸化が原因で大幅に低下することになる。かかる問題は、例えば、特開２０００−１１９７７５に開示される無鉛快削性銅合金（銅：６９〜７９ｍａｓｓ％，珪素：２．０〜４．０ｍａｓｓ％，亜鉛：残部）を溶製する場合において顕著に生じている。因みに、この無鉛快削性銅合金にあって、珪素は、主元素である銅，亜鉛に比して、比重が小さく（珪素：２．３，銅：８．９，亜鉛：７．１）且つ融点が高い（珪素：１４１４℃，銅：１０８４℃，亜鉛：４１９℃）ものであり、酸素との化学的親和力も銅，亜鉛に比して極めて高い（酸素との化学的親和力は銅が最も低く、亜鉛がこれに続く）。
【０００４】
そこで、従来からも、このような問題を解決するために、（１）溶解炉内を真空雰囲気又は完全な不活性ガス雰囲気に保持した状態で、被溶解原料を時間をかけて溶解させるようにするか、（２）主元素と特定元素又はこれを含む添加元素とを小型の真空溶解炉等で合金化した合金原料（添加元素を５〜３０ｍａｓｓ％程度含有する合金）を被溶解原料又はその一部として使用することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、（１）の場合には、密閉性の高い特殊な溶解炉を使用する必要があるためイニシャルコストが高騰し、しかも炉内を真空雰囲気又は不活性ガス雰囲に保持するに長時間を要する等、生産効率やランニングコストの問題もあって、根本的な解決策とはなり得ない。また、（２）の場合においても、合金原料の製作コストが高く、経済的に問題がある。しかも、合金化した合金原料を再び溶解することなり、溶製工程全体の消費エネルギが極めて大きく、エネルギ効率の上からも実用的ではない。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、上記した特殊な溶解炉や合金原料を使用せずとも、特定元素を添加元素として含有する合金の溶解を、歩留まりや鋳塊品質を低下させることなく効率良く且つ経済的に行なうことができる合金の溶製方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バージン原料及びスクラップ材を、被溶解原料として、溶解炉内に積層した形態で溶解させることにより、主元素である銅又は銅及び亜鉛とこれより添加量の少ない一種以上の添加元素とからなる合金であって、主元素に比して軽比重，高融点で且つ酸素との化学的親和力の高い特定元素が添加元素として含まれている合金を溶製する方法において、特に、特定元素のバージン原料については、中空状のスクラップ材に充填させた形態及び／又は塊状に集合，成形されたスクラップ材に混入させることにより当該スクラップ材に保持させた形態で、溶解炉内における被溶解原料層の下部領域に位置させておくようにすることを提案するものである。なお、特定元素のバージン原料及びこれが充填，混入されたスクラップ材（以下「特定元素含有スクラップ材」という）を被溶解原料層の下部領域の何処に位置させておくかは、特定元素含有スクラップ材並びにこれ以外のバージン原料及びスクラップ材の性状（材質，形状等）や溶解条件に応じて適宜に設定されるが、一般には、当該特定元素含有スクラップ材は、被溶解原料の最下部を含めて少なくとも当該原料層の上下方向中間部より下方に位置される。
【０００８】
一般に、主元素のバージン原料としてはインゴットが使用され、主元素に比して微量添加される添加元素のバージン原料としては、インゴットを破砕する等により得られる粉粒状のものが使用される。特に、添加元素又はその一部（二種以上の添加元素が含有される場合）である特定元素のバージン原料としては、これを保持するスクラップ材（例えば、主合金からなるスクラップ材）の溶解により当該スクラップ材による保持が解除された後における溶解速度及び湯中での上昇速度（浮力）等を考慮して、粒径２〜５０ｍｍの粒状物を使用することが好ましい。粒径が２ｍｍ未満であると、溶解速度は大きいが、浮力による上昇速度も大きく、逆に、粒径が５０ｍｍを超えると、浮力による上昇速度は小さいが、溶解速度も小さいため、何れも未溶融状態で湯面に浮上する虞れがある。特に、溶解速度と上昇速度とのバランスを考慮した場合、粒径は３〜２５ｍｍとしておくことがより好ましい。
【０００９】
スクラップ材としては、一般に、当該合金を構成する元素群の一部又は全部からなる組成の廃棄製品，不良製品，不良押出材，製造工程において発生する製造屑，切屑等が使用される。但し、パイプ材等の或る程度以上の嵩密度を有するスクラップ材については、そのまま被溶解原料として使用されるが、切屑，打ち抜き屑，線状材，細管材，小形中空材等のような嵩密度の極めて小さなスクラップ材については、所定量のスクラップ材を塊状に集合，成形した形態（例えば、当該スクラップ材の集合物を簡易的なプレス成形や押し固め等により塊状に成形した形態）で、被溶解原料として使用される。粒状をなす特定元素のバージン原料については、このように塊状に集合，成形されたスクラップ材に混入させるか、パイプ材や筒状材のような中空状をなすスクラップ材に充填させた形態で、被溶解原料とされる。特定元素含有スクラップ材のスクラップ材が切屑，打ち抜き屑，線状材，細管材，小形中空材等のような嵩密度の極めて小さなものである場合には、当該特定元素含有スクラップ材は、所定量のスクラップ材（切屑等）を、これが特定元素のバージン原料を囲繞するような形態で、塊状に集合，成形させることによって得られる。また、特定元素含有スクラップ材のスクラップ材がパイプ材，筒状材等の中空材である場合には、当該特定元素含有スクラップ材は、当該スクラップ材の中空部内に特定元素のバージン原料を強固に詰め込むことによって得られる。特定元素のバージン原料は、これを保持するスクラップ材に対する体積比が３〜６０％となるように、当該スクラップ材に充填又は混入させておくことが好ましい。当該体積比が６０％を超えると、当該バージン原料の湯中への拡散が遅くなって溶解効率が低くなる。また、６０％を超えると、特定元素含有スクラップ材は、バージン原料及びスクラップ材全体としての見掛け上の比重が小さくなって、完全に溶解する前に湯面へと浮上してしまう虞れがある。逆に当該体積比が３％未満では、特定元素のバージン原料をスクラップ材に保持させておく意義が喪失する。このような観点からすれば、当該体積比は１０〜４０％としておくことがより好ましい。なお、当該合金が二種以上の特定元素を含有するものである場合は勿論、一種の特定元素を含むものである場合にも、特定元素のバージン原料は複数の同種スクラップ材又は異種のスクラップ材に保持（充填，混入）させておくことが可能である。また、当該合金が二種以上の特定元素を含有するものである場合や特定元素以外の一種以上の添加元素を含有するものである場合においては、これらの特定元素及び添加元素の性状（融点等）を考慮して、二種以上の特定元素のバージン原料又は特定元素を含む二種以上の添加元素のバージン原料を一つのスクラップ材に保持（充填，混入）させて、これを被溶解原料層の下部領域に配置するようにすることも可能である。
【００１０】
被溶解原料は、一般に、特定元素のバージン原料及びこれを保持するスクラップ材を除いて、嵩密度の低いものから順に溶解炉内に積層させるようにする。この場合、嵩密度が同程度の被溶解原料については、特定元素のバージン原料及びこれを保持するスクラップ材を除いて、融点の低いものを融点の高いものより下位に位置させておくか、或いは融点の低いものと融点の高いものとを上下方向に交互に配して位置させておくことが好ましい。被溶解原料の性状にもよるが、熱効率上からすれば、後者のように低融点物と高融点物とを交互に配置しておくことがより好ましい。嵩密度が低いもの程、及び融点の低いもの程、溶解速度は速いことから、上記のような積層形態をとっておくと、被溶解原料全体の溶解速度が均一になり、溶解が良好に行なわれることになる。溶解炉としては、前記した（１）のような特殊な溶解炉を使用する必要はなく、大気開放形の電気炉等を使用することができる。この場合、溶解炉内に積層された被溶解原料を、木炭被覆下において、大気中で溶解するようにする。
【００１１】
本発明の溶製方法にあっては、特定元素のバージン原料を含む被溶解原料を、上記したような形態で溶解炉内に積層しておくことから、特定元素のバージン原料が未溶融状態で湯面上に浮上して酸化されることがない。すなわち、特定元素のバージン原料は、これを保持するスクラップ材が溶解し、当該スクラップ材による保持が解消された後に、湯中に拡散して徐々に溶解しつつ上昇していくことになる。また、特定元素のバージン原料は、溶解炉内における被溶解原料層の下部領域に位置されていることから、湯中に拡散してもそのまま湯面へと上昇せず、その上昇経路に存在する特定元素以外のバージン原料やスクラップ材に衝突することにより、緩慢に上昇されることになる。したがって、特定元素のバージン原料は、溶解開始時点から時間をかけて湯中で溶解されることになり、未溶融状態で湯面に浮上して酸化されるようなことが殆どない。仮に、未溶融状態で湯面に浮上することがあったとしても、当該バージン原料の湯中への拡散開始時点から湯面への浮上時点までに相当の時間が経過しているため、極薄い酸化膜（例えば、０．１μｍ以下）が形成されるにすぎないことから、湯面に浮上したバージン原料の粒径は極めて小さくなっていることとも相俟って、当該バージン原料の溶融が良好に行なわれる。このような効果は、特定元素のバージン原料を除く被溶解原料（バージン原料及びスクラップ材）の積層形態を上記した如く嵩密度，融点を考慮したものとしておくこと並びに特定元素のバージン原料の粒径及びこれを保持するスクラップ材との体積比を上記した如く設定しておくことによって、より顕著に発揮されることになる。
【００１２】
而して、冒頭で述べた特定元素に起因する問題（歩留まり，鋳塊品質の低下）は、特定元素が、主元素に比して酸素との化学的親和力が高いものであって、主元素との比重差が１．５以上であるものである場合及び／又は主元素との融点差が２００℃以上であるものである場合に著しく、特に比重差については３以上であるものである場合に顕著に発生することから、本発明の溶製方法は、このような要件を具備する特定元素を添加元素又はその一部として含有する合金について特に顕著な効果を発揮するものであり、具体的には、例えば、冒頭で述べた特開２０００−１１９７７５に開示される無鉛快削性銅合金（銅：６９〜７９ｍａｓｓ％，珪素：２．０〜４．０ｍａｓｓ％，亜鉛：残部）のように、銅，亜鉛を主元素とする銅合金であって、珪素（銅，亜鉛に比して酸素との化学的親和力が極めて高く、銅，亜鉛との比重差が３以上であり且つ銅，亜鉛との融点差が２００℃以上である）を添加元素又はその一部として含有する銅合金を溶解する場合に好適するものである。ところで、銅，亜鉛を主元素とする銅合金にあって、チタンは前記した特定元素としての要件をすべて具備するものであるが、アルミニウム，ニッケル，鉄等は当該要件の一部を具備しないものである。また、本発明の溶製方法は、銅合金を溶解させる場合に限定されず、前記した特定元素としての要件をすべて具備する添加元素を含有する合金である限り、特定元素以外の主元素及び添加元素がどのようなものであっても好適に使用することができる。なお、特定元素が珪素である場合、珪素のバージン原料としては、一般に、インゴット等の地金材を破砕することに得られる粒状物が使用されるが、シリコンウエハの製作不良品は珪素純度の高いものであるから、このような珪素スクラップ材についてもバージン原料として利用することが可能である。
【００１３】
【実施例】
実施例１として、主元素であるＣｕ，Ｚｎ（Ｃｕ：７５ｍａｓｓ％，Ｚｎ：２２ｍａｓｓ％）と特定元素であるＳｉ（３ｍａｓｓ％）とからなる銅合金の鋳塊を、次のような被溶解原料を大気開放形の溶解炉（電気炉）に積層して溶解することによって、溶製した。被溶解原料としては、Ｃｕ，Ｚｎのバージン原料であるインゴットと、Ｃｕのスクラップ材（一般に循環材と呼ばれる不良銅製品や切屑を簡易的なプレス成形によりブロック状に集合，成形したもの）と、Ｓｉのバージン原料をスクラップ材である銅管に充填したもの（特定元素含有スクラップ材）とを使用した。Ｓｉのバージン原料としては、粒径１０ｍｍの粒状物を使用して、銅管内に充填した。充填量は、銅管に対する体積比が３０％となるようにした。溶解炉内には、元湯（Ｃｕ：７５ｍａｓｓ％，Ｚｎ：２２ｍａｓｓ％，Ｓｉ：３ｍａｓｓ％）上に、銅管内にＳｉのバージン原料を充填したものを装填し、その上にＣｕのスクラップ材を積層し、更にその上にＣｕ，Ｚｎのバージン原料を積層した。スクラップ材（Ｓｉのバージン原料を充填した銅管を除く）については、嵩密度の低いものを下位に配置し、嵩密度が同等のものについては、融点の低いものと融点の高いものとを交互に配置した。また、Ｃｕ，Ｚｎのバージン原料については、融点の低いＺｎのインゴットを下位に配置し、融点の高いＣｕのインゴットを上位（最上位）に配置した。そして、被溶解原料を、このような形態で元湯上に積層すると共に、その層表面を木炭で被覆して大気と遮断した状態で、溶解し、所定形状の鋳塊を得た。
【００１４】
実施例２として、主元素であるＣｕ，Ｚｎ（Ｃｕ：８９ｍａｓｓ％，Ｚｎ：９ｍａｓｓ％）と特定元素であるＳｉ（１．７ｍａｓｓ％）と特定元素以外の添加元素（Ｓｎ：０．２ｍａｓｓ％，Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％）とからなる銅合金の鋳塊を、被溶解原料の積層形態を次のようにした点を除いて、実施例１と同様にして溶製した。すなわち、元湯（Ｃｕ：８９ｍａｓｓ％，Ｚｎ：９ｍａｓｓ％，Ｓｉ：１．７ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．２ｍａｓｓ％，Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％）上の最下部に、銅線をブロック状に集合，成形したスクラップ材にＳｉのバージン原料（粒径：１０ｍｍ）を３０％の体積比で混入させたもの（特定元素含有スクラップ材）を配置し、その上にＳｎ，Ｃｏのバージン原料（粒径：１０ｍｍ）を配置し、これらの上部に、実施例１と同様に、Ｃｕのスクラップ材及びＣｕ，Ｚｎのバージン原料（インゴット）を配置した。
【００１５】
実施例３として、主元素であるＣｕ（９８．６ｍａｓｓ％）と特定元素であるＴｉ（０．４ｍａｓｓ％）と特定元素以外の添加元素（Ｎｉ：０．８ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．２ｍａｓｓ％）とからなる銅合金の鋳塊を、被溶解原料の積層形態を次のようにした点を除いて、実施例１と同様にして溶製した。すなわち、元湯（Ｃｕ：９８．６ｍａｓｓ％，Ｔｉ：０．４ｍａｓｓ％，Ｎｉ：０．８ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．２ｍａｓｓ％）上に、銅の打ち抜き屑をブロック状に集合，成形したスクラップ材にＴｉのバージン原料（粒径：１０ｍｍ）を３０％の体積比で混入させたもの（特定元素含有スクラップ材）を配置し、その上にＮｉ，Ｓｎのバージン原料（粒径：１０ｍｍ）を配置し、これらの上にＣｕのスクラップ材及びバージン原料（インゴット）を配置した。
【００１６】
実施例４として、主元素であるＣｕ，Ｚｎ（Ｃｕ：６２．５ｍａｓｓ％，Ｚｎ：３１．５ｍａｓｓ％）と特定元素であるＴｉ（１ｍａｓｓ％）と特定元素以外の添加元素（Ｓｎ：１ｍａｓｓ％，Ａｌ：４ｍａｓｓ％）とからなる銅合金の鋳塊を、被溶解原料の積層形態を次のようにした点を除いて、実施例１と同様にして溶製した。すなわち、元湯（Ｃｕ：６２．５ｍａｓｓ％，Ｚｎ：３１．５ｍａｓｓ％，Ｔｉ：１ｍａｓｓ％，Ｓｎ：１ｍａｓｓ％，Ａｌ：４ｍａｓｓ％）上に、銅の切屑をブロック状に集合，成形したスクラップ材にＴｉ，Ｓｎ，Ａｌのバージン原料（粒径：１０ｍｍ）を３０％の体積比で混入させたもの（特定元素含有スクラップ材）を配置し、その上に、実施例１と同様に、Ｃｕのスクラップ材及びＣｕ，Ｚｎのバージン原料（インゴット）を配置した。
【００１７】
比較例１として、Ｃｕ：７５ｍａｓｓ％，Ｚｎ：２２ｍａｓｓ％，Ｓｉ：３ｍａｓｓ％の組成をなす銅合金の鋳塊を、Ｓｉのバージン原料を、スクラップ材に保持させることなく、そのまま被溶解原料層の最下部に配置した点を除いて、実施例１と同様にして、溶製した。
【００１８】
比較例２として、Ｃｕ：８９ｍａｓｓ％，Ｚｎ：９ｍａｓｓ％，Ｓｉ：１．７ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．２ｍａｓｓ％，Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％の組成をなす銅合金の鋳塊を、Ｓｉのバージン原料を、スクラップ材に保持させることなく、そのまま被溶解原料層の最下部に配置した点を除いて、実施例２と同様にして、溶製した。
【００１９】
比較例３として、Ｃｕ：９８．６ｍａｓｓ％，Ｔｉ：０．４ｍａｓｓ％，Ｎｉ：０．８ｍａｓｓ％，Ｓｎ：０．２ｍａｓｓ％の組成をなす銅合金の鋳塊を、Ｔｉのバージン原料を、スクラップ材に保持させることなく、そのまま被溶解原料層の最下部に配置した点を除いて、実施例３と同様にして、溶製した。
【００２０】
比較例４として、Ｃｕ：６２．５ｍａｓｓ％，Ｚｎ：３１．５ｍａｓｓ％，Ｔｉ：１ｍａｓｓ％，Ｓｎ：１ｍａｓｓ％，Ａｌ：４ｍａｓｓ％の組成をなす銅合金の鋳塊を、Ｔｉ，Ｓｎ，Ａｌのバージン原料を、スクラップ材に保持させることなく、そのまま被溶解原料層の最下部に配置した点を除いて、実施例４と同様にして、溶製した。
【００２１】
而して、実施例１〜４で得られた鋳塊及び比較例１〜４で得られた鋳塊の組成を分析したところ、実施例１〜４の鋳塊は、何れも、計画通りの合金組成をなすものであった。しかし、比較例１〜４の鋳塊は、何れも、特定元素Ｓｉ，Ｔｉが酸化して歩留まりが低く、品質の悪いものであった。特に、主元素との比重差がＴｉより大きなＳｉを含有する比較例１，２の鋳塊においては、歩留まり及び品質の低下が顕著であった。
【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明の溶製方法によれば、冒頭で述べた（１）のような特殊な溶解炉や（２）のような合金原料を使用せずとも、一般的な大気開放形の溶解炉を使用して、銅，亜鉛の主元素に比して軽比重，高融点で且つ酸素との化学的親和力の高い珪素等を添加元素又はその一部として含有する銅合金等の合金を、歩留まり及び鋳塊品質を向上させつつ、容易に且つ効率良く製造することができる。

Claims (12)

1. バージン原料及びスクラップ材を、被溶解原料として、溶解炉内に積層した形態で溶解させることにより、主元素である銅又は銅及び亜鉛とこれより添加量の少ない一種以上の添加元素とからなる合金であって、主元素に比して軽比重，高融点で且つ酸素との化学的親和力の高い特定元素が添加元素として含まれている合金を溶製する方法において、
   特定元素のバージン原料については、中空状のスクラップ材に充填させた形態及び／又は塊状に集合，成形されたスクラップ材に混入させることにより当該スクラップ材に保持させた形態で、溶解炉内における被溶解原料層の下部領域に位置させておくようにすることを特徴とする合金の溶製方法。
2. 被溶解原料を、特定元素のバージン原料及びこれを保持するスクラップ材を除いて、嵩密度の低いものから順に溶解炉内に積層させるようにすることを特徴とする、請求項１に記載する合金の溶製方法。
3. 特定元素が、主元素との比重差が１．５以上であるものであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する合金の溶製方法。
4. 特定元素が、主元素との融点差が２００℃以上であるものであることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載する合金の溶製方法。
5. 特定元素のバージン原料が、粒径２〜５０ｍｍの粒状物であることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に載する合金の溶製方法。
6. 特定元素のバージン原料を、これを保持するスクラップ材に対する体積比が３〜６０％となるように、当該スクラップ材に充填又は混入させるようにしたことを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載する合金の溶製方法。
7. 特定元素のバージン原料を充填させる中空状のスクラップ材がパイプ材又は筒状材であることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６に記載する合金の溶製方法。
8. 特定元素のバージン原料を保持するスクラップ材が切屑、打ち抜き屑、線状材、細管材又は小形中空材の集合物であって、特定元素のバージン原料を囲繞する形態で一つの塊状に成形されたものであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７に記載する合金の溶製方法。
9. 主元素が銅及び亜鉛であり、特定元素が珪素であることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載する合金の溶製方法。
10. 主元素が銅であり、特定元素がチタンであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載する合金の溶製方法。
11. 主元素が銅及び亜鉛であり、特定元素がチタンであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載する合金の溶製方法。
12. 溶解炉内に積層された被溶解原料を、木炭被覆下において、大気中
    で溶解するようにしたことを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０又は請求項１１に記載する合金の溶製方法。