JPH1128549A - 銅鉄合金線材の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 定量の溶融銅に鉄系金属を加え鉄合金比を高
めた溶融銅鉄合金とし、ノズルによつて線状に絞り水中
で自重落下させることにより、生産性とともに線材性
能、信頼性を高めコスト節減している。 【解決手段】 加熱炉１内で溶解した定量の溶融銅Ｃｕ
に、鉄系金属１２を少量つづ加えながら溶湯温度を漸増
し溶湯の流動Ｘ下で所定の鉄合金比を高めた溶融銅鉄合
金Ｃｕ＋Ｆｅとし、この溶融銅鉄合金を炉底のノズル３
により線状に絞り出し水中６で自重落下Ｙさせて急冷す
る銅鉄合金線材の製造法に特徴を有し、また、前記の銅
鉄合金線材の製造法において、漸増される溶湯温度が１
３５０℃に達する前に、鉄系金属１２を鉄合金比３０〜
７０ｗｔ％の範囲内に加熱溶解した溶融銅鉄合金とし、
溶融銅鉄合金を合金ヘッドｈ１圧下で絞り出すことに特
徴を有し、さらに、その溶融銅鉄合金をノズル３により
横断真円形状の線状に絞り出すことに特徴を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の銅系金属と
鉄系金属との溶接用材として、また各種のフイルター等
の素材としても好適な銅鉄合金線材の製造法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高い銅含有率の銅鉄合金線材は、
加熱炉内で鉄系金属加熱溶解して溶湯温度１５７０℃程
度の溶融鉄とし、この溶融鉄中に銅系金属を入れて加熱
溶解し溶融銅鉄合金として、この溶融銅鉄合金をインゴ
ットケースに注入し凝固せしめて銅鉄合金のインゴット
に鋳造した後、このインゴットを鍛造し線引きや焼鈍等
の塑性加工をして精度、品質を高めた細径の線材に製造
する方法が開発されて提案されている。

【０００３】また、出願人は、加熱炉内に銅系金属と鉄
系金属を所望の比率で収容して加熱溶解し、この溶融銅
鉄合金を底部に設けたたノズルにより断面円形状に絞り
出して、水中で自重落下させ急冷して凝固せしめ、高い
銅含有率で共晶組織の銅鉄合金線材を連続して製造する
方法を先に開発して提案している（特願平８−２８２９
２１号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の銅鉄合金線材の
製造法は、前記のように加熱炉で加熱溶解した溶湯温度
１５７０℃程度の溶融鉄に銅系金属を加えて加熱溶解
し、鋳造したインゴットにして、さらに鍛造や線引き焼
鈍等の塑性加工をして線材に製造するため、多くの工程
を要し著しくコスト高になるとともに、鋳造や塑性加工
等により高精度の共晶組織に製造するのに限界があるな
どの課題がある。

【０００５】また、先に開発して提案した銅鉄合金線材
の製造法は、前記のように溶融銅鉄合金を直接に炉底の
ノズルにより線状に絞り出し、水中の自重落下で急冷し
て線材に製造するため、小型設備により優れた共晶組織
の銅鉄合金線材に量産できるが、溶接用材として適用す
ると、被溶接材（銅系金属と鉄系金属）の材質に対応さ
せて第三元素を添加して溶接強度を高める必要があり、
従ってまた、基本的に共晶組織をさらに高精度にするこ
とが望まれるなどの課題がある。

【０００６】本発明は、前記のような課題を解決するた
めに開発されたものであり、その目的とする処は、溶融
銅に適度の鉄系金属を比較的に低温で溶解した溶融銅鉄
合金とし、直接にノズルで線状に絞り出し水中の自重落
下によつて急冷することにより、生産性とともに銅鉄合
金の共晶精度、信頼性を向上しコスト節減した銅鉄合金
線材の製造法を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、加熱炉内で溶
解した定量の溶融銅に、鉄系金属を少量つづ加えながら
溶湯温度を漸増し溶湯の流動下で加熱溶解して鉄合金比
を高めた溶融銅鉄合金とし、この溶融銅鉄合金を炉底の
ノズルにより線状に絞り出し水中で自重落下させて急冷
する銅鉄合金線材の製造法に特徴を有し、溶融銅に鉄系
金属を少量つづ加え比較的に低温でかつ溶湯の流動下で
加熱溶解することにより、微細な鉄粒子を溶出させて均
等に分散した溶融銅鉄合金とし、この溶融銅鉄合金を直
接にノズルで絞り線状に絞り出して水中で自重落下させ
ることにより、高い銅含有率で優れた共晶組織の銅鉄合
金線材に能率良く高精度に製造可能にしている。

【０００８】また、前記の銅鉄合金線材の製造法におい
て、漸増される溶湯温度が１３５０℃に達する前に、鉄
系金属を鉄合金比３０〜７０ｗｔ％の範囲内に加熱溶解
した溶融銅鉄合金とし、この溶融銅鉄合金を合金ヘッド
圧下でノズルにより絞り出すことに特徴を有し、鉄融点
よりも低温で鉄合金比３０〜７０ｗｔ％の範囲内の溶融
銅鉄合金として、この溶融銅鉄合金を合金ヘッド下で線
状に絞り出すことにより、鉄成分の偏析を防止して線材
の形状及び共晶精度、信頼性を高めている。

【０００９】さらにまた、前記の銅鉄合金線材の製造法
において、溶融銅鉄合金をノズルにより横断真円形状の
線状に絞り出すことに特徴を有し、水中の自重落下にお
いて全周にわたり均等に急冷して凝固せしめ、鉄成分の
偏析を防止して線材の形状とともに共晶精度、品質をさ
らに高めるなど、総合的に生産性とともに高精度、高品
質化して信頼性を高めている。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の一実施例、図２に
銅−鉄２元合金の模式図、図３に溶融銅鉄合金及び銅鉄
合金線材のミクロ組織図を示している。図中１は加熱炉
（誘導コイル２付き高周波誘導加熱炉）、３は炉底のノ
ズル管４付きノズル、５は加熱炉の下方に配置した水
槽、６は水槽に収容した冷却水又は水中、１１は加熱炉
内の銅系金属、１２は溶融銅に入れた鉄系金属、１３は
溶湯の上面に形成されたフラックス、１５は冷却水で急
冷して凝固させた銅鉄合金線材、１５ａは銅鉄合金線材
の銅基地、１５ｂは銅鉄合金線材の微細な鉄粒子、Ｃｕ
は溶融銅、Ｃｕ＋Ｆｅは溶融銅鉄合金、Ｘは加熱炉にお
ける溶湯の流動、Ｙは水中の自重落下、ｈ１は溶融銅鉄
合金の合金ヘツド、ｈ２は自重落下の水中落下距離であ
る。

【００１１】図示の実施例は、加熱炉１内で溶解した定
量の溶融銅Ｃｕに、鉄系金属１２を少量つづ加えながら
溶湯温度を漸増し溶湯の流動Ｘ下で加熱溶解して鉄合金
比を高めた溶融銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅとし、この溶融銅鉄
合金を炉底のノズル３により線状に絞り出し水中で自重
落下Ｙさせて急冷することを特徴とする銅鉄合金線材１
５の製造法になつている。

【００１２】前記の銅鉄合金線材の製造法において、漸
増される溶湯温度が１，３５０℃に達する前に、鉄系金
属１２を鉄合金比３０〜７０ｗｔ％の範囲内に加熱溶解
した溶融銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅとし、この溶融銅鉄合金を
合金ヘツドｈ１圧でノズル３により絞り出すことを特徴
とする銅鉄合金線材１５の製造法になつている。

【００１３】前記の銅鉄合金線材の製造法において、溶
融銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅを横断真円形状の線状に絞り出す
ことを特徴とする銅鉄合金線材の製造法になつている。

【００１４】さらに詳述すると、図１に示す銅鉄合金線
材の製造装置は、加熱炉（好ましくは誘導コイル２付き
高周波電磁誘導加熱炉）１、加熱炉の底部に設けたノズ
ル管４付きノズル３、加熱炉の下方に配置し冷却水６を
収容した水槽５等からなり、加熱炉１は、定量の銅系金
属１１（例えば電解銅）を加熱溶解して溶融銅Ｃｕとし
た後、この溶融銅に鉄系金属１２（例えば精練鉄）を少
量づつ加えながら溶湯温度を適度の漸増パターンに制御
して、所望の鉄混合比まで高めた溶融銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆ
ｅとし、この溶融銅鉄合金を所定の合金ヘツドｈ１圧の
もとで炉底のノズル管４付きノズル３により線状に絞り
出して、水中６で自重落下Ｙさせて急冷し凝固させて銅
鉄合金線材１５に製造する構造になつている。例えば、
溶融銅鉄合金の合金ヘツドｈ１は０．５ｍ程度に確保す
るとともに、炉底面と冷却水の水面との間に適宜の距離
を確保し、自重落下Ｙの水中落下距離ｈ２即ち水深は、
線材の径サイズ（ノズル内径）等に対応せしめるなどし
て、例えば、ノズル内径；６ｍｍの場合はｈ２；０．５
ｍ以上に確保する。

【００１５】図１に示す製造装置により本発明の銅鉄合
金線材の製造法を詳述すると、銅系金属１１として高い
銅純度の電解銅、及び鉄系金属１２として好ましくは精
練鉄（例えば０．０２％Ｃ以下）を主原料とし、必要に
応じ溶剤として生石灰を主成分とする良質の貝殻粉末、
脱酸剤としてアルミニウム、シリコン、マンガン等、さ
らには、シリカやチタン、ニツケル等の第三元素もそれ
ぞれ適量投入して銅鉄合金線材１５を連続的に製造す
る。具体的には図１，２に示す製造装置及び銅・鉄２元
合金の状態模式図のように、先ず加熱炉１に定量の銅系
金属１１（銅融点１，０８３℃）を収容し加熱溶解して
溶融銅Ｃｕとした後、前記のような溶剤や脱酸剤さらに
は第三元素を適量投入し、この溶融銅に鉄系金属１２
（鉄融点１，５３９℃）を少しつづ加入しながら、その
溶湯温度を図２に示す太線のように液相線よりも高くな
らない適度の制御パターンで漸増して、溶融銅Ｃｕに鉄
系金属１２を加熱溶解し鉄合金比３０〜７０ｗｔ％程度
（銅合金比７０〜３０ｗｔ％程度）まで次第に高めて所
定量の溶解銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅとする。図中１３は溶解
銅鉄合金の上部に形成されて被覆し酸化等を防止するフ
ラックスである。

【００１６】銅系金属１１は、図２に示すように銅融点
１，０８３℃で加熱溶解されて定量の溶融銅Ｃｕとなり
（図示ａ点）、この溶融銅の溶湯温度は図示の太線のよ
うな制御パターンで漸増されて溶湯の全域にわたる流動
Ｘが生じる。次に、溶融銅中に少しつづ加入される鉄系
金属１２は、図２に示すように鉄融点１，５３９℃より
も遥かに低い１，０９４℃程度で表面から溶け出し（図
示ｂ点）、溶け出した微細な鉄粒子が溶湯の流動Ｘによ
つて溶湯の全域にわたり均等に分散されて溶出が円滑に
進行し、鉄合金比が３０ｗｔ％（銅合金比７０ｗｔ％−
図示ｃ点）、５０ｗｔ％（銅合金比５０ｗｔ％−図示ｄ
点）、さらには７０ｗｔ％（銅合金比３０ｗｔ％−図示
ｅ点）と次第に増加して、溶湯温度が１，３５０℃程度
に達する前に、溶融銅中に微細な鉄粒子が鉄合金比３０
〜７０ｗｔ％程度まで高められて均等に分散した溶融銅
鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅとなる。この加熱溶解中、生石灰やア
ルミニウム、シリコン等は、溶解を助長して円滑とし、
脱酸して浮上しフラックス１３を形成して溶湯の酸化を
防止する。シリカやチタン、ニツケル等の第三元素は銅
と鉄との濡れ性や線材特性等を高める。

【００１７】加熱炉１内で所望の銅・鉄合金比の溶融銅
鉄合金が定量に確保されると、適宜の手段（図示省略）
で炉底のノズル３を開き、溶融銅鉄合金を所定の合金ヘ
ッドｈ１圧のもとでノズル管４付きノズル３により適度
の細径で横断真円形状の線状に形成して絞り出しが円滑
に開始される。加熱炉１の底部で生じる絞り出しの流れ
により、合金ヘッドｈ１圧が次第に減少しても絞り出し
が円滑に持続され、微細な鉄粒子が適度の比率に溶解し
た均質の溶融銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅは、ノズル管４付きノ
ズル３によつて適度の細径に形成された高精度の線状と
なる。好ましくは図示のようにノズル管４を設けて形成
精度を高め空気との接触をなくして変質を防止する。前
記のように線状に絞り出され直ちに水中６で自重落下Ｙ
して、その全周から均等にかつ急速に冷却されて凝固さ
れる。この絞り出し及び自重落下Ｙ中、均質な合金精度
や線状の形状等は格別に損なわれないなど、優れた高精
度の共晶組織の銅鉄合金短繊維１５として連続的に量産
される。

【００１８】前記の銅鉄合金線材の製造において、比較
的に低温で漸増の温度に制御されている溶融銅Ｃｕ中
で、鉄系金属１２は鉄融点（１，５３９℃）よりも遥か
に低い１，０９４℃程度でその表面から溶け出して円滑
に進行し、溶出した微細な鉄粒子は溶湯の流動Ｘによつ
て溶湯の全域にわたり均等に分散され、鉄合金比７０ｗ
ｔ％（銅合金比３０ｗｔ％）程度までは鉄粒子が局部的
に分離することなく均質な溶融銅鉄合金Ｃｕ＋Ｆｅとな
る。図３Ａに示す溶湯の拡大写真から明らかなように鉄
系金属１２の表面から微細な鉄粒子が溶け出して溶湯中
に分散される。

【００１９】また、その溶融銅鉄合金は、所定の合金ヘ
ツドｈ１圧下で加熱炉１の底部のノズル３により直接に
線状に絞り出され、直ちに水中で自重落下Ｙして全周か
ら均等にかつ急速に冷却されて凝固し、絞り出しから自
重落下Ｙ、凝固までの間に格別に微細な鉄粒子の局部的
な分離や線形状の崩れもなく、水槽５の底面部において
図示のような大径の螺旋状の細い線材となり、高精度で
高品質の銅鉄合金線材１５として能率良く製造される。
銅鉄合金短線材１５の銅・鉄合金比（Ｃｕ：Ｆｅｗｔ
％）の選択は、鉄系金属１２の加入量の調節及び溶湯温
度の上限抑制等で行われ、鉄合金比３０〜７０ｗｔ％の
範囲内で選択して高い銅含有率（７０〜３０ｗｔ％）で
高精度の共晶組織の銅鉄合金線材１５に製造される。さ
らに、溶融銅鉄合金の絞り出し開始後に、必要に応じ溶
湯温度の制御及び溶融銅及び鉄系金属の追加等によりさ
らに継続して製造することもできる。水槽底の銅鉄合金
線材１５は、必要に応じ製造中に適宜の手段（図示省
略）で先端部から取り出すこともできる。

【００２０】前記の銅鉄合金線材１５は、図３Ｂに示す
線材の拡大組織図から明らかなように鉄合金比３０〜７
０ｗｔ％程度の範囲内（第三元素を含有）に構成され、
銅基地１５ａ中に多数の微細な鉄粒子１５ｂが均等に分
散し、銅基地で各鉄粒子を包み込み覆つた高精度の共晶
組織の銅鉄合金線材１５に構成されて、銅基地１５ａ中
に分散している多数の微細な鉄粒子１５ｂは幅数μ〜数
十μの柱状晶に形成され、径３〜５ｍｍの横断円形状の
線材に製造されて高い銅含有率（７０〜３０ｗｔ％）で
高精度、高品質の銅鉄合金線材となる。

【００２１】前記の銅鉄合金線材１５は、銅鉄合金の鉄
合金比３０〜７０ｗｔ％程度の範囲内に構成され、前記
のように著しく高精度の共晶組織となつて、この銅基地
１５ａは、微細な鉄粒子１５ｂを被覆した銅フイルム状
になり耐腐食性を有し比較的軟質であつて摩擦対面の磨
耗を低減し損傷を防止する。鉄成分１５ｂは、線材全体
を補強して引張強さを高め（例えば黄銅Ｃ２６００＝２
７５Ｎ／ｍｍ² に対しこの銅鉄合金線材は４００Ｎ／ｍ
ｍ² ）、摩擦係数を増加して摩擦耐力や接合力等を高め
る。また、弾性係数が大幅に異なる銅と鉄の複合材とな
り摩擦振動が発生し難い。銅基地の大きい熱伝導率によ
り鉄粒子の高温摩擦熱の発散を促進し、高速摩擦に耐え
るなどの特性を有し、溶接棒や溶加棒等の溶接用材、ハ
ンダゴテのヘッド材として、さらには、各種のフイルタ
ー用の素材等として好適な構造になつている。

【００２２】溶接用材（溶接棒や溶加棒等）にする場合
は、銅鉄合金線材１５を必要に応じ伸線加工し適度の細
径として切断する程度の簡単な加工で容易に適用され
る。また、被溶接材（例えば銅パイプ等の銅系金属、鉄
管等の銅系金属）の材質に対応させて適宜の第三元素
（例えばニツケルＮｉ等）を添加して、この銅鉄合金線
材を被溶接材に近似した材質として接着強度を高めるこ
とができる。この銅鉄合金線材１５は、前記のように基
本的に共晶組織が著しく高精度化されるため、前記のよ
うに第三元素を添加してもこの優れた共晶組織の精度は
格別に損なわれず、各種の被溶接材に近似した材質の接
着用材として効果的に適用される。前記のように各種の
銅系金属と銅系金属材との溶接を可能とし、その溶接性
能、信頼性が効果的に高められる。また、フイルターの
素材にする場合は、伸線加工して適度の細線とし、層状
に形成して焼結するなどして適用され、前記のような特
性により優れたフイルター性能、信頼性が得られる。

【００２３】なお、図２に示す銅・鉄２元合金の状態模
式図から明らかなように、溶湯温度が１，３５０℃より
も高温になつて鉄含有率が７０ｗｔ％よりも高められる
と、溶出した鉄粒子が分離して偏析の原因となる。ま
た、鉄含有率が３０ｗｔ％よりも低い溶出開始時は、鉄
成分が不足して鉄特性が十分に発揮されない。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、前述のように構成され加熱炉
内で溶解した定量の溶融銅に、鉄系金属を少量つづ加え
ながら溶湯温度を漸増し溶湯の流動下で加熱溶解するこ
とにより、比較的に低い溶湯温度で微細な鉄粒子を溶出
して均等に分散した溶融銅鉄合金とし、この溶融銅鉄合
金を直接に炉底のノズルで線状に絞り出し水中で自重落
下させて急冷却することにより、高い銅含有率で優れた
高精度の共晶組織の銅鉄合金線材つして能率良く高精度
で高品質に製造される。

【００２５】また、漸増される溶湯温度が１３５０℃に
達する前に、鉄系金属を鉄合金比３０〜７０ｗｔ％の範
囲内に加熱溶解することにより、鉄融点よりも低い溶湯
温度で銅・鉄合金比７０〜３０ｗｔ％の範囲内の溶融銅
鉄合金とし、この溶融銅鉄合金を合金ヘッド圧下で細孔
群により絞り出すことにより、鉄成分の偏析を防止して
繊維の形状や精度、品質の信頼性をさらに高めるなど、
総合的に生産性とともに高精度、高品質化して信頼性を
高めている。また、小規模の設備で簡単に工程により量
産されて低コストで提供される。

【００２６】前記の銅鉄合金線材は、鉄合金比７０〜３
０ｗｔ％範囲内で高い銅含有率の銅鉄合金線材として構
成され、銅基地中に微細な鉄粒子を均等に分散させて覆
つた高精度、高品質の共晶組織となり、第三元素を添加
しても共晶組織の精度は格別に損なわれず多様な材質に
構成されるなど、溶接用材やフイルターの素材等として
好適な特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の銅鉄合金線材の製造装置の一実施例を
示す縦断機構図

【図２】銅・鉄２元合金の状態模式図

【図３】鉄溶解中の溶融銅鉄合金を示す拡大写真図
（Ａ）及び銅鉄合金線材の拡大写真図（Ｂ）である。

【符号の説明】 １ 加熱炉 ３ ノズル ６ 水中（冷却水） １１ 銅系金属 １２ 鉄系金属 １５ 銅鉄合金線材 １５ａ 銅基地 １５ｂ 鉄粒子 Ｃｕ 溶融銅 Ｃｕ＋Ｆｅ 溶融銅鉄合金 ｈ１ 合金ヘツド Ｘ 加熱流動（溶融銅鉄合金） Ｙ 自重落下

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱炉内で溶解した定量の溶融銅に、鉄
   系金属を少量つづ加えながら溶湯温度を漸増し溶湯の流
   動下で加熱溶解して鉄合金比を高めた溶融銅鉄合金と
   し、この溶融銅鉄合金を炉底のノズルにより線状に絞り
   出し水中で自重落下させて急冷することを特徴とする銅
   鉄合金線材の製造法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の銅鉄合金線材の製造法に
   おいて、漸増される溶湯温度が１３５０℃に達する前
   に、鉄系金属を鉄合金比３０〜７０ｗｔ％の範囲内に加
   熱溶解した溶融銅鉄合金とし、この溶融銅鉄合金を合金
   ヘッド圧下でノズルにより絞り出すことを特徴とする銅
   鉄合金線材の製造法。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の銅鉄合金
   線材の製造法において、溶融銅鉄合金をノズルにより横
   断真円形状の線状に絞り出すことを特徴とする銅鉄合金
   線材の製造法。