無酸素銅クラス1とその精密機械加工

無酸素銅クラス１とその精密機械加工
高田
晃*、酒井
修二**、木村
久司**、中原 具隆**
(*日立伸材株式会社、**日立電線株式会社)
1. 緒言
無酸素銅は導電性・耐水素脆性・加工性に優れ、電子
管・粒子加速器などの高真空機器用材料として使用され
ている。このような用途に使用される電子管用無酸素銅
はASTM規格で金属組織の健全性からクラス１∼５に分
類されている。日立電線では、独自技術である真空脱ガ
ス方式を用いて無酸素銅クラス１の量産に成功してい
る。この無酸素銅の製造技術に加えて、日立電線グルー
プは基盤技術として、塑性加工、機械加工技術を有する。
本報告では、無酸素業クラス１の製造方法と特性に加
えて、機械加工部門の能力、精度の向上に対する最近
の取組について報告する。
2. 無酸素銅クラス１の製造方法と特性
2.1 真空脱ガス方式
図1に真空脱ガス装置を備えた全連続無酸素銅溶解鋳
造設備を示す。真空脱ガス装置とは、保持炉上に設置し
た真空脱ガス槽と真空ポンプにより脱ガスを行う装置
である。脱ガス槽内の到達真空度と残留水素濃度、脱ガ
ス時間、電磁攪拌等の検討を加えることによりASTM規格
を満足する無酸素銅クラス１の量産化に成功している。
2.2日立無酸素銅クラス１の諸特性
図2は、ASTM-F68規格における無酸素銅の結晶組織判
定チャートを示す。結晶組織中のミクロポロシティが少
ないほど健全であり、クラス１は最も健全なクラスであ
る。
図3は、無酸素銅鋳塊の水素濃度を真空脱ガス処理有
無の比較において示したものである。脱ガス処理を行っ
たものの水素濃度は0.3−0.4 ＰＰＭである。これに対
し脱ガス処理を行わなかったものの水素濃度は、0.35−
0.7 ＰＰＭと高くばらつきも大きい。経験的に水素濃度
が0.6 ＰＰＭを超える無酸素銅の金属組織は残留ガス
によるミクロポロシティが著しく真空用途には適さな
い。以上より真空脱ガス処理を行った無酸素銅は真空用
途に充分耐えうるものと判断できる。
表1は無酸素銅クラス１の化学成分分析例を示すが、
ASTM-F68の無酸素銅の規格を充分に満足している。無酸
素銅クラス１の気体昇温脱離特性を、クラス３及びアル
ミニウムと比較したものが図4である。水素、一酸化炭
素、二酸化炭素いずれにおいても、ガス成分脱離が最も
少ないのが無酸素銅クラス１、次いでクラス３、アルミ
ニウムとなった。
3.無酸素銅機械加工製品
日立電線の機械加工部門である日立伸材では電子管
用製品・加速器用空洞品等の無酸素銅の機械加工品(図
5)を製造している。最近では薄膜製造設備のヒートシン
クであるバッキングプレート(図6)が大幅な売上の伸び
を示している。バッキングプレートは冷却能力を向上さ
せるため内部に水路(図6)を有している。水路は、切削
によって設けた溝の上に蓋を溶接することによって形
成する。溶接は、当社独自技術である摩擦攪拌接合(図
7)によって行っている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを
接合部に押しつけ、被接合金属どうしを塑性流動させる
ことにより接合する。金属組織が塑性流動組織であるこ
とから、図7に示すように摩擦攪拌接合部の機械的特性
は母材と遜色なく、電子ビーム溶接に比較して優れてい
る。また溶接後の反りも小さく、機械加工による反りの
除去、矯正による反り直し等の後処理を大幅に省くこと
が可能である。
４．機械加工部門の今後の方向
4.1 機械加工部門の現状の取組
パッキングプレート、加速器用空洞を中心に供給能力
及び精度の向上に対する顧客からの要求が強くなって
きている。これに応えるべく機械加工部門では各種の取
組を行っている。無酸素銅の機械加工の特徴として次の
ようなものがある。
①膨張係数、熱伝導率ともに大きいため、加工中の熱に
よる寸法変化が大きい。
②弾性係数が小さいため、ハンドリングによる寸法変化
が大きい。
熱による寸法変化に対しては、加工室内の空調化、水溶
性切削油の適用、切削抵抗低減対策等各種の温度変化抑
制対策を行っている。ハンドリングによる寸法変化に対
しては、治具の改善による歪抑制等の対策を行っている。
また昨年末より大幅な寸法精度向上及び能力向上を
狙って、さらに空調範囲を広げるとともに強力重切削
CNC旋盤(以下「新設CNC旋盤」と称す。)及び5軸複合マ
シニングセンター(以下「新設複合加工機」と称す。)を
導入した。それぞれについて以下に説明する。
4.2 新設CNC旋盤による加工能力向上
本旋盤の基本仕様は表2に示すとおりであり、特徴は
次の通りである。
①設備剛性が高いため大型ワークの連続重切削が可能
であると同時に加工精度が向上する。
②芯間が2000mm以上あるため長尺ワークにも対応可能
である。
③ターニングセンター仕様のため工程を省略ができ、か
つ再セッティングによる加工誤差を小さくできる。
表2 強力重切削CNC旋盤基本仕様
指定ない単位：mm
X軸移動量
345
最大加工径
φ650
Z軸移動量
2100
標準加工径
φ374
主軸回転数
2400rpm
最大加工長
2063
工具回転数
3000rpm
工具ホルダ
12本
加速器用空洞部品でテスト加工を行った結果は以下の
ようになった。従来の加工工程は、
①ブランク加工→②粗加工(一次)→③粗加工(二次)
→④ザグリ穴加工→⑤横穴加工→⑥仕上加工(一次)
→⑦仕上加工(二次)
の７工程を要していた。今回のテスト加工では、②∼⑥
の工程を新設CNC旋盤の１工程で加工することにより3
工程に短縮し、時間的にも大幅な短縮を図ることができ
た。
4.3 新設複合加工機による加工能力向上
基本仕様は表3、基本構成は図8に示すとおりである。
表3 新設複合加工機の基本仕様
指定ない単位：mm
X軸移動量
600
最大ワーク
φ400×400
Y軸移動量
425
最大重量
200kg
Z軸移動量
450
ATC工具数
36本
主軸回転数
12000rpm
新設複合加工機の特徴は次の通りである。
①５軸ミーリング加工に加えて旋削加工ができる。
②複雑形状の加工が高効率にできる。
③工程省略によるリードタイムの短縮が図れる。
④再セッティングによる加工誤差が極めて少ない。
⑤高剛性であるため加工精度が向上する。
以上をまとめると高付加価値でロットが中規模以下の
製品に適した複合加工機という位置づけとなる。
丸型バッキングプレートでテスト加工を行った結果
を以下に報告する。従来の加工工程では、
①板抜き→②ブランク→③水路加工
の3工程を要していたが、テスト加工では②③を１工程
で加工することにより、時間的にも大幅な短縮を図るこ
とができた。
4.4 新設CNC旋盤・複合加工機の加工精度向上
新規に導入した2台の設備は高い設備剛性による精度
の向上をうたっている。テストカットによって精度の確
認を行った結果を以下に報告する。テストカットは無酸
素銅を外径φ200の板に加工し、三次元測定器により外
径及び平坦度を測定した。結果は図9の通りであり、外
径、平坦度ともに2−3倍の精度向上を確認した。
5.まとめ
①日立電線では、無酸素銅の全連続溶解鋳造設備に真空
脱ガス装置を導入し、ASTM-F68に規定される最高品質
の無酸素銅クラス１の量産を行っている。
②同時に基盤技術として塑性加工・機械加工を持ってお
り、これまで加速器用空洞・導波管・電子管用製品・
スパッタリングﾞ装置用バッキングプレートの製造実
績がある。
③機械加工部門としての日立伸材は、今後高精度化・高
効率化の方向に進むべく、強力重切削CNC旋盤・５軸複
合マシニングセンターの導入をはじめとした各種施策
を実施中である。
文献
(1)山本佳紀、「粒子加速器用無酸素銅（ASTM-F68）の
諸特性」第2回高エネ研･メカワークショップ報告集
(2)小野純夫、「無酸素銅の摩擦攪拌接合」第 3 回高エ
ネ研･メカワークショップ報告集
図１
図２ ASTM-F68 における無酸素銅の結晶組織判定チャート
図３
表１
図4
電子管用製品
線形加速器用空洞品
加速管用モニターブロック
電子管（完成品）
シンクロトロン用空洞品
真空ガスケット
図５ 無酸素銅の機械加工品
内部水路断面
用途：液晶・ディスク等の
薄膜製造設備の部品
角型ﾊﾞｯｷﾝｸﾞﾌﾟﾚｰﾄ
用途：CD、DVD等のﾒﾃﾞｨｱ用
薄膜製造設備
丸型ﾊﾞｯｷﾝｸﾞﾌﾟﾚｰﾄ
図６ スパッタリング装置用
無酸素銅バッキングプレート
機械的性質
溶接後反り
図７ 摩擦攪拌接合（FSW）
Ｙ４２５
X６
００
Ｚ４５０
Ｂ Ａ
図8 ５軸複合ﾏｼﾆﾝｸﾞｾﾝﾀｰの基本構成
テストカット結果(外径)
199.830
外径(mm)
199.820
199.810
199.800
199.790
199.780
199.770
既設CNC旋盤 SL-403B旋盤 ｽｰﾊﾟｰﾐﾗｰ400
テストカット結果(平坦度)
平坦度(mm)
0.070
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
既設CNC旋盤 SL-403B旋盤 ｽｰﾊﾟｰﾐﾗｰ400
図９ 新設CNC旋盤・複合加工機の
テストカット結果(精度)