JP2021155837A

JP2021155837A - ベリリウム銅合金リング及びその製造方法

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Publication number: JP2021155837A
Application number: JP2020060360A
Authority: JP
Inventors: 健介石井; Kensuke Ishii
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US11746404B2; DE102021203127A1; CN113458303A; US20210301384A1

Abstract

【課題】結晶粒が微細化したベリリウム銅合金リング及びその製造方法を提供する。【解決手段】ベリリウム銅合金リングの製造方法であって、ベリリウム銅合金製の円柱状鍛造材を用意する工程と、円柱状鍛造材の上面中央から、円柱状鍛造材の中心軸と平行方向に穴を明けて、リング中間品とする工程と、リング中間品にリング鍛造を施すことで、次式：Ｐ＝１００×（Ｔ−ｔ）／Ｔ（式中、Ｐは加工率（％）、Ｔはリング中間品の肉厚（ｍｍ）、ｔはリング鍛造品の肉厚（ｍｍ）である）により規定される加工率が６３％以上となるように穴を拡げて、リング鍛造品とする工程と、リング鍛造品に溶体化処理及び時効処理を施して、ベリリウム銅合金リングとする工程とを含む、ベリリウム銅合金リングの製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、ベリリウム銅合金リング及びその製造方法に関する。

従来より、変圧器用アモルファス箔等の合金リボンを製造するために、鋳造用リングが使用されている。鋳造用リングは、合金等を溶解鋳造して得られた鋳塊を鍛造することにより鍛造材を得た後、この鍛造材の穴明け、穴拡げ（すなわちリング鍛造）、溶体化処理、及び時効処理といった工程を経て得られる。

こうして得られた鋳造用リングを高速回転させながら、このリング表面上に溶融合金を垂らし、急冷固化しながらリングから引き剥がすことにより、合金リボンが得られる。このとき、リング表面は、溶融合金に接触している間は急熱され、溶融合金が引き剥がされた後は急冷される。すなわち、鋳造用リングは膨張収縮を繰り返す。そのため、このような熱サイクルによる厳しい温度変化に耐えるためには、例えば、硬度（強度）が高く、熱伝導率に優れ、高温時に劣化しにくく、均一な微細組織を有するような鋳造用リングが必要とされる。従来の方法として、鋳造用リングの結晶粒を微細化するためには、鍛造工程にて、鍛造材の鍛錬比を上げることが行われている。また、熱伝導率等に優れた鋳造用リングとして、例えばベリリウム銅合金製のものが用いられている。

例えば、特許文献１（特許第３９７７８６８号公報）には、溶融合金を急速凝固させてリボンにするための、微晶質組織又は非晶質組織を有する急冷支持体であって、その急冷面が熱伝導性合金からなり、かつ、その組織が実質的に均質である、急冷支持体が開示されている。この急冷支持体として、析出硬化銅合金であるベリリウム銅合金等が挙げられている。

また、特許文献２（特許第３１９４２６８号公報）には、溶融合金をミクロ結晶構造又はアモルファス構造を有するリボンへ急速に固化するための焼入れ表面が開示されている。この焼き入れ表面は、微細で等削減再結晶粒子のみからなるミクロ構造を有する熱伝導性の合金で作られ、上記粒子の平均寸法が２００μｍ以下であり、当該粒子が５００μｍより大きくなく、該粒子が緻密なガウス粒度分布を有する。このような焼き入れ表面を有する鋳造用リングとして、ベリリウム銅合金等が用いられている。

さらに、特許文献３（ＷＯ２０１２／０９６２３８Ａ１）には、ベルト＆ホイール法で製造する銅又は銅合金荒引線の表面欠陥の深さｄ（ｍｍ）が式（Ｉ）を満たす、銅又は銅合金の連続鋳造方法が開示されている。式（Ｉ）は、ｄ≦ｒ×０．１を示し、ｄは荒引線表面欠陥の深さ（ｍｍ）、ｒは荒引線の半径（ｍｍ）を表す。鋳造リングを構成する合金材料として、ベリリウム銅合金等が好ましいとされている。

特許第３９７７８６８号公報特許第３１９４２６８号公報ＷＯ２０１２／０９６２３８Ａ１

しかしながら、上述のような従来のベリリウム銅合金リングを合金リボンの製造に用いた場合、合金リボンを鋳造中に、熱膨張及び熱収縮の繰り返しによりリング表面にクラックが入るという問題がある。クラックを低減する手法として、ベリリウム銅合金を構成する結晶粒を微細化することが知られている。例えば、ベリリウム銅合金リングの製造過程において、鋳造後かつ穴明け前に行われる鍛造工程の鍛錬比を上げることで、結晶粒の微細化は可能であり、それによりある程度のクラック低減効果は得られる。しかし、鍛錬比を上げることによる結晶粒の微細化には限界があり、更なる改善が望まれる。また、鍛錬比を上げることは製造コストの上昇につながる。

本発明者らは、今般、穴を明けた鍛造材（すなわちリング中間品）に対して、その穴を拡げるリング鍛造を所定値以上の加工率で施すことにより、結晶粒が微細化したベリリウム銅合金リングを製造できるとの知見を得た。

したがって、本発明の目的は、結晶粒が微細化したベリリウム銅合金リング及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、ベリリウム銅合金リングの製造方法であって、
ベリリウム銅合金製の円柱状鍛造材を用意する工程と、
前記円柱状鍛造材の上面中央から、前記円柱状鍛造材の中心軸と平行方向に穴を明けて、リング中間品とする工程と、
前記リング中間品にリング鍛造を施すことで、次式：Ｐ＝１００×（Ｔ−ｔ）／Ｔ（式中、Ｐは加工率（％）、Ｔは前記リング中間品の肉厚（ｍｍ）、ｔはリング鍛造品の肉厚（ｍｍ）である）により規定される加工率が６３％以上となるように前記穴を拡げて、リング鍛造品とする工程と、
前記リング鍛造品に溶体化処理及び時効処理を施して、ベリリウム銅合金リングとする工程と、
を含む、ベリリウム銅合金リングの製造方法が提供される。

本発明の他の一態様によれば、ベリリウム銅合金で構成され、前記ベリリウム銅合金の平均結晶粒径が２０μｍ以下である、ベリリウム銅合金リングが提供される。

例１（比較例）で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。例２（比較例）で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。例３で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。例４で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。例５で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。例６で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。例７（比較例）で作製されたベリリウム銅合金リング断面の光学顕微鏡写真である。

本発明は、ベリリウム銅合金リング及びその製造方法に関する。本発明の方法により製造されるベリリウム銅合金リングは、ベリリウム銅合金で構成され、ベリリウム銅合金を構成する結晶粒が微細化されたものである。前述したとおり、合金リボンの鋳造に伴い従来のベリリウム銅合金リングにはクラックが発生しうるが、ベリリウム銅合金を構成する結晶粒を従前のものよりも微細化することでクラックを有意に低減することができる。好ましくは、ベリリウム銅合金の平均結晶粒径が２０μｍ以下であり、より好ましくは１７μｍ以下であり、さらに好ましくは１５μｍ以下である。平均結晶粒径が小さいほどクラック低減の観点から有利であるため、平均結晶粒径の下限は特に限定されないが、典型的には５μｍ以上、より典型的には７μｍ以上、さらに典型的には１０μｍ以上である。なお、平均結晶粒径は後述する実施例で述べる手順により決定されるものである。このように、平均結晶粒径が小さい、すなわち結晶粒が微細化したベリリウム銅合金リングを製造することは、従来の方法では限界があり困難であった。しかし、本発明のベリリウム銅合金リングの製造方法によれば、リング中間品に対して高い加工率でリング鍛造を施すことにより、結晶粒が微細化したベリリウム銅合金リングを製造することができる。

本発明のベリリウム銅合金リングのサイズは、特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定すればよい。鋳造用リングの用途の場合、本発明のベリリウム銅合金リングのサイズは、３２０〜２０４５ｍｍの外径及び２６５〜１８７５ｍｍの内径であるのが好ましく、より好ましくは６２０〜２０４５ｍｍの外径及び４６０〜１８７５ｍｍの内径であり、さらに好ましくは８３０〜２０４５ｍｍの外径及び６８０〜１８７５ｍｍの内径である。

本発明のベリリウム銅合金リングの組成は特に限定されないが、典型的には、ベリリウム銅合金は、Ｂｅを好ましくは０．２〜２．０重量％、より好ましくは０．４〜２．０重量％、さらに好ましくは１．８〜１．９重量％含み、残部がＣｕ及び不可避不純物であるものである。ベリリウム銅合金は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｚｒ等の任意元素をさらに含んでいてもよい。特にＺｒを含むことによりクラックを減少させることができる。すなわち、ベリリウム銅合金がＺｒをさらに含有するのが好ましい。

本発明のベリリウム銅合金リングの製造方法は、（１）ベリリウム銅合金製の円柱状鍛造材を用意し、（２）穴明け工程、（３）穴拡げ工程、（４）溶体化処理工程及び時効処理工程を順次実施することを含む。

（１）円柱状鍛造材の用意
まず、ベリリウム銅合金製の円柱状鍛造材を用意する。円柱状鍛造材は公知の方法により作製すればよく、特に限定されないが、溶解鋳造工程、均熱処理工程、及び中間鍛造工程を経て得られるのが好ましい。

溶解鋳造工程では、ベリリウム銅合金を溶解して鋳型に流し込み、冷却凝固し、鋳塊を得る。このときの溶解温度は、１１００℃〜１２５０℃が好ましい。

均熱処理工程では、鋳塊を８００℃〜８５０℃で６時間以上保持するのが好ましい。

中間鍛造工程では、鋳塊に対して据込及び鍛伸を繰り返すことにより鍛錬し、加工しやすいサイズの円柱状鍛造材を得る。このときの温度は５３０〜７６０℃が好ましい。鍛錬比は１８〜２５であるのが好ましい。円柱状鍛造材のサイズは直径４５０〜８５０ｍｍ×高さ２００〜６００ｍｍであるのが好ましい。

（２）穴明け工程
円柱状鍛造材の上面中央から、円柱状鍛造材の中心軸と平行方向に穴を明けて、リング中間品とする。穴明けの手法は、所望の穴が明けられるかぎり、いかなる手法により行ってもよいが、例えば、型による打ち抜きにより行われるのが好ましい。リング中間品のサイズは、特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定すればよい。鋳造用リングの用途の場合、３３０〜８１５ｍｍの外径及び１５０〜２５０ｍｍの内径であるのが好ましく、より好ましくは４００〜８１５ｍｍの外径及び１５０〜２５０ｍｍの内径であり、さらに好ましくは４６５〜８１５ｍｍの外径及び１６０〜２５０ｍｍの内径である。

穴明け工程において円柱状鍛造材を加熱することが好ましい。円柱状鍛造材の温度は５５０〜８００℃が好ましく、より好ましくは５５０〜７８０℃、さらに好ましくは５５０〜７５０℃である。このように加熱することで、円柱状鍛造材に穴を明けやすくなる。

（３）穴拡げ工程
リング中間品にリング鍛造を施すことで、加工率が６３％以上となるように穴を拡げて、リング鍛造品とする。この加工率は、Ｐ＝１００×（Ｔ−ｔ）／Ｔ（式中、Ｐは加工率（％）、Ｔはリング中間品の肉厚（ｍｍ）、ｔはリング鍛造品の肉厚（ｍｍ）である）の式より規定される。ここで、リング中間品の肉厚Ｔは、Ｔ＝（Ｄ_Ｏ−Ｄ_Ｉ）／２（式中、Ｄ_Ｏはリング中間品の外径であり、Ｄ_Ｉはリング中間品の内径である）により、リング鍛造品の肉厚ｔは、ｔ＝（ｄ_Ｏ−ｄ_Ｉ）／２（式中、ｄ_Ｏはリング鍛造品の外径であり、ｄ_Ｉはリング鍛造品の内径である）によりそれぞれ規定される。加工率は６３％以上であり、好ましくは６５％以上、より好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは７３％以上である。このように、リング中間品に対して高い加工率でリング鍛造を施すことにより、結晶粒が微細化したベリリウム銅合金リングを製造することができる。このため、加工率の上限は特に限定されないが、典型的には９０％以下、より典型的には８５％以下、さらに典型的には８０％以下である。

前述のとおり、ベリリウム銅合金リングの製造過程において、鋳造後かつ穴明け前に行われる鍛造工程の鍛錬比を上げることで、結晶粒の微細化は可能であり、それによりある程度のクラック低減効果は得られる。しかし、鍛錬比を上げることによる結晶粒の微細化には限界があった。また、鍛錬比を上げることは製造コストの上昇につながる。これらの問題が、穴拡げ工程において高い加工率でリング鍛造を行うことによって好都合に解消される。

リング鍛造が行われる温度は５３０〜７８０℃が好ましく、より好ましくは５３０〜７５０℃、さらに好ましくは５３０〜７２０℃である。このように加工温度を低くすることにより、ベリリウム銅合金リングを構成する結晶粒をより効果的に微細化することができる。

リング鍛造品のサイズは、特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜決定すればよい。鋳造用リングの用途の場合、リング鍛造品のサイズは、３２０〜２０４５ｍｍの外径及び２６５〜１８７５ｍｍの内径であるのが好ましく、より好ましくは６２０〜２０４５ｍｍの外径及び４６０〜１８７５ｍｍの内径であり、さらに好ましくは８３０〜２０４５ｍｍの外径及び６８０〜１８７５ｍｍの内径である。

（４）溶体化処理工程及び時効処理工程
リング鍛造品に溶体化処理及び時効処理を順に施して、所望の特性のベリリウム銅合金リングとする。ベリリウム銅合金は時効硬化型合金であるので、溶体化処理及び後続の時効処理を経ることで所望の調質特性（例えば高強度）を呈することができる。

溶体化処理は、リング鍛造品を所定の溶体化処理温度で所定時間加熱した後、水冷処理を施すことにより行うことができる。好ましい溶体化処理温度は、７００〜９５０℃であり、より好ましくは７３０〜９２０℃、さらに好ましくは７６０〜９００℃である。上記溶体化処理温度での保持時間は、好ましくは１２０〜２４０分間、より好ましくは１２０〜１８０分間、さらに好ましくは１２０〜１５０分間である。

時効処理は、溶体化処理を経たリング鍛造品を所定の時効処理温度で所定時間保持することにより行うことができる。好ましい時効処理温度は、２８０〜４５０℃であり、より好ましくは３００〜４５０℃、さらに好ましくは３２０〜４５０℃である。上記時効処理温度での保持時間は、好ましくは１２０〜６００分間、より好ましくは１８０〜３００分間、さらに好ましくは１８０〜２４０分間である。

時効処理の前後で、リング鍛造品及び／又はベリリウム銅合金リングを面削してもよい。こうすることで、これらの酸化面を削ることができる、これらのサイズを所望のものにすることができる、といった利点がある。

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。

例１〜７
ベリリウム銅合金リングを以下の手順により作製し、評価した。

（１）鋳造
例１〜５及び７について、ベリリウム銅合金（Ｂｅ含有量：１．８６〜１．８７重量％、Ｃｏ含有量：０．２４〜０．２５重量％、Ｆｅ含有量：０．０２〜０．０３重量％、残部：Ｃｕ及び不可避不純物、ＵＮＳ番号：Ｃ１７２００）を用意する一方、例６については、ベリリウム銅合金（Ｂｅ含有量：１．８６〜１．８７重量％、Ｃｏ含有量：０．２４〜０．２５重量％、Ｆｅ含有量：０．０２〜０．０３重量％、Ｚｒ含有量：０．２重量％、残部：Ｃｕ及び不可避不純物、ＵＮＳ番号：Ｃ１７２００）を用意した。ベリリウム銅合金を１１３０〜１１７０℃の温度で溶融して溶湯とし、これを鋳型に流し込んだ。鋳型から出た鋳塊を水で冷却した。

（２）均熱処理
得られた鋳塊を、８００〜８５０℃の温度で６時間以上保持することにより、均熱処理を行った。

（３）中間鍛造
均熱処理を経た鋳塊を６６８〜７４９℃の温度で、鍛錬比が１８〜２５となるように据え込み及び鍛伸を繰り返し、直径４４０〜４６０ｍｍ×高さ１１０〜４６０ｍｍの円柱状鍛造材とした。

（４）穴明け
５５０〜７４８℃の温度で、円柱状鍛造材の上面中央から、円柱状鍛造材の中心軸と平行方向に直径１６０〜２５０ｍｍの穴を明けた。このとき、プレス機で加圧することにより円柱状鍛造材の上面中央を打ち抜いた。これにより、表１に示されるサイズのリング中間品を得た。

（５）穴拡げ
リング中間品に、表１に示される温度で、表１に示される加工率となるようにリング鍛造を施すことにより穴を拡げた。このとき、プレスして明けた穴に芯金を差し込み、リング中間品を外側から抑え加圧しつつ回転させながら、穴を拡げた。これにより、表１に示されるサイズを有するリング鍛造品を得た。

（６）溶体化処理及び時効処理
リング鍛造品に対して、７００〜８００℃の温度で１２０分間加熱した後水冷することにより溶体化処理を行い、さらに面削した。そして、溶体化処理したリング鍛造品に対して、３００〜３５０℃の温度で１２０〜１８０分間保持することにより時効処理を行い、さらに面削した。こうして表１に示される外径を有するベリリウム銅合金リングを得た。

（７）評価
得られたベリリウム銅合金リングに対して以下の評価を行った。

＜平均結晶粒径の算出＞
ベリリウム銅合金リングを肉厚方向に切断した面を光学顕微鏡で観察し、得られた断面ミクロ組織を解析することにより、ベリリウム銅合金リングの平均結晶粒径を切断法にて算出した。具体的には、撮影したミクロ組織画像に３本の直線を引き、各々の直線が横切る結晶粒の個数を直線の長さで除した値の算術平均値を平均結晶粒径とした。結果は図１〜７及び表１に示されるとおりであった。なお、図１、２、３、４、５、６及び７はそれぞれ例１、２、３、４、５、６及び７に対応する。

表１に示される結果から、加工率Ｐが大きくなるほどベリリウム銅合金リングの平均結晶粒径が小さくなることが分かる。

Claims

ベリリウム銅合金リングの製造方法であって、
ベリリウム銅合金製の円柱状鍛造材を用意する工程と、
前記円柱状鍛造材の上面中央から、前記円柱状鍛造材の中心軸と平行方向に穴を明けて、リング中間品とする工程と、
前記リング中間品にリング鍛造を施すことで、次式：Ｐ＝１００×（Ｔ−ｔ）／Ｔ（式中、Ｐは加工率（％）、Ｔは前記リング中間品の肉厚（ｍｍ）、ｔはリング鍛造品の肉厚（ｍｍ）である）により規定される加工率が６３％以上となるように前記穴を拡げて、リング鍛造品とする工程と、
前記リング鍛造品に溶体化処理及び時効処理を施して、ベリリウム銅合金リングとする工程と、
を含む、ベリリウム銅合金リングの製造方法。
前記リング鍛造が５３０〜７８０℃の温度で行われる、請求項１に記載のベリリウム銅合金リングの製造方法。
前記リング鍛造が５３０〜７２０℃の温度で行われる、請求項１又は２に記載のベリリウム銅合金リングの製造方法。
前記リング中間品が、３３０〜８１５ｍｍの外径及び１５０〜２５０ｍｍの内径を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のベリリウム銅合金リングの製造方法。
前記リング鍛造品が、３２０〜２０４５ｍｍの外径及び４６０〜１８７５ｍｍの内径を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のベリリウム銅合金リングの製造方法。
前記ベリリウム銅合金がＺｒをさらに含有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のベリリウム銅合金リングの製造方法。
ベリリウム銅合金で構成され、前記ベリリウム銅合金の平均結晶粒径が２０μｍ以下である、ベリリウム銅合金リング。
前記ベリリウム銅合金がＺｒをさらに含有する、請求項７に記載のベリリウム銅合金リング。