JP2005290543A - 銅合金およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の化学組成を有し、残部が銅および不純物からなり、粒径が1μm以上の析出物および介在物の合計個数が下記(1)式で示される関係を満足する銅合金。この銅合金は、溶製、鋳造後、少なくとも鋳造直後の鋳片温度から450℃までの温度域において0.5℃/s以上の冷却速度で冷却することにより得られる。この冷却後、600℃以下の温度域で加工した後、150〜750℃の温度域で30秒以上保持する熱処理に供することが望ましく、この加工および熱処理を複数回行うことが更に望ましい。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)である。
【選択図】なし
Description
但し、(a)式中のTSは引張強度(MPa)を意味し、IACSは導電率(%)を意味する。
安全工具としての銅合金には、上記のような引張強度TSおよび導電率IACSの特性のほか、耐摩耗性も要求される。従って、安全工具用銅合金の場合、耐摩耗性としても工具鋼と同等のレベルであることが必要である。具体的には、室温下における硬さがビッカース硬さで250以上であることを耐摩耗性が優れることとする。
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。
(a) 化学組成について
本発明の銅合金は、Zn、Sn、Ag、Mn、Fe、Co、Al、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ta、W、Ge、TeおよびSe(以下、これらの元素を「第1群元素」と呼ぶ)の中から選ばれた1種をそれぞれ0.1〜20%、または2種以上を合計で0.1〜20%含み、残部が銅および不純物からなる化学組成を有する。
Ti、ZrまたはHfは、いずれも引張強度を向上させるのに有効な元素であるため、これらの元素のいずれか1種を本発明の銅合金に含有させてもよい。強度向上の効果は、これらの元素の含有量が0.01%以上の場合に顕著となる。しかし、その含有量が5%を超えると、強度は上昇するものの導電性が劣化する。さらに、鋳造時にTi、ZrまたはHfの偏析を招いて均質な鋳片が得られにくくなり、その後の加工時に割れや欠けが発生しやすくなる。従って、Ti、ZrおよびHfのいずれか1種を含有させる場合の含有量はいずれも0.01〜5.0%とするのが望ましい。引張強度と導電率のバランスが極めて良好な状態を得るためには、これらの元素を0.1%以上含有させるのがより望ましい。
Crは、電気抵抗を上昇させることなく、引張強さを向上させるのに有効な元素である。その効果を得るためには、0.01%以上含有させるのが望ましい。特に、Cu−Be合金と同程度またはそれ以上の引張強度と導電率のバランスが極めて良好な状態を得るためには、0.1%以上含有させるのが望ましい。一方、Cr含有量が5%を超えると、金属Crが粗大に析出して曲げ特性、疲労特性等に悪影響を及ぼす。従って、Crを含有させる場合には、その含有量を0.01〜5%とするのが望ましい。
本発明の銅合金においては、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足することが必要である。
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。(1)式には、析出物および介在物の粒径の測定値が1.0μm以上1.5μm未満の場合、X=1を代入し、「α−0.5」μm以上「α+0.5」μm未満の場合、X=α(αは2以上の整数)を代入すればよい。
logN≦0.4742+7.9749×exp(−0.1133×X) ・・・ (2)
logN≦0.4742+6.3579×exp(−0.1133×X) ・・・ (3)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。
(1)基本的にCuと同じfcc構造を持つが、合金元素濃度の異なる状態。合金元素濃度が異なるので、同じfcc構造でありながら一般には格子定数が異なり、加工硬化の程度も当然異なる。
(2)fcc母相中に微細な析出物が分散する状態。合金元素濃度が異なるので、加工・熱処理を経た後の析出物の分散状況も当然異なる。
銅合金の結晶粒径を細かくすると、高強度化に有利であるとともに、延性も向上して曲げ加工性などが向上する。しかし、結晶粒径が0.01μmを下回ると高温強度が低下しやすくなり、35μmを超えると延性が低下する。従って、結晶粒径は0.01〜35μmであるのが望ましい。更に望ましい粒径は0.05〜30μmである。もっとも望ましいのは、0.1〜25μmである。
本発明の銅合金においては、金属もしくは銅と添加元素との化合物、または添加元素同士の化合物等の微細析出を妨げる金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等の介在物が鋳片の凝固直後の時点で生成しやすい。このような介在物は、仮に、鋳造後に溶体化処理を施し、この溶体化温度を上げても固溶化させるのは困難である。高温での溶体化処理は、介在物の凝集、粗大化を招くだけである。
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。
金属もしくは銅と添加元素との化合物、または添加元素同士の化合物等の析出物は280℃以上の温度域で生成する。特に、鋳造直後の鋳片温度から450℃までの温度域における冷却速度が遅いと、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等の介在物が粗大に生成し、その粒径が20μm以上、更には数百μmに達することがある。また、上記の析出物も20μm以上に粗大化する。このような粗大な析出物および介在物が生成した状態では、その後の加工時に割れや折れが発生する恐れがあるだけでなく、時効工程での上記の析出物の析出硬化作用が損なわれ、合金を高強度化できなくなる。従って、少なくともこの温度域においては、0.5℃/s以上の冷却速度で鋳片を冷却する必要がある。冷却速度は大きい程よく、好ましい冷却速度は、2℃/s以上であり、さらに好ましいのは10℃/s以上である。
本発明の銅合金の製造方法においては、鋳造して得た鋳片は、所定の条件で冷却された後、熱間圧延や溶体化処理等の熱間プロセスを経ることなく、加工と時効熱処理の組み合わせのみによって最終製品に至る。
時効処理は、金属もしくは銅と添加元素との化合物、または添加元素同士の化合物等の析出物を析出させて銅合金を高強度化し、あわせて導電性に害を及ぼす固溶元素(Cr、Ti等)を低減して導電率を向上させるのに有効である。しかし、その処理温度が150℃未満の場合、析出元素の拡散に長時間を要し、生産性を低下させる。一方、処理温度が750℃を超えると、析出物が粗大になりすぎて、析出硬化作用による高強度化ができないばかりか、延性、耐衝撃性および疲労特性が低下する。このため、時効処理を150〜750℃の温度域で行うことが望ましい。望ましい時効処理温度は200〜700℃であり、更に望ましいのは、250〜650℃である。最も望ましいのは、280〜550℃である。
本発明の銅合金の製造方法において、上記の製造条件以外の条件、例えば溶解、鋳造等の条件については特に限定はないが、例えば、下記のように行えばよい。
各供試材の圧延面に垂直で、且つ圧延方向と平行な断面を鏡面研磨し、そのままの状態で、またはアンモニア水溶液でエッチングした後、光学顕微鏡により100倍の倍率で1mm×1mmの視野を観察した。その後、析出物および介在物の長径(途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ)を測定して得た値を粒径と定義する。(1)式には、析出物および介在物の粒径の測定値が1.0μm以上1.5μm未満の場合、X=1を代入し、「α−0.5」μm以上「α+0.5」μm未満の場合、X=α(αは2以上の整数)を代入すればよい。更に、粒径毎に1mm×1mm視野の枠線を交差するものを1/2個、枠線内にあるものを1個として合計個数n1算出し、任意に選んだ10視野における個数N(=n1+n2+・・・+n10)の平均値(N/10)をその試料のそれぞれの粒径についての析出物および介在物の合計個数と定義する。
合金の断面を研磨して0.5μmのビーム径で、2000倍の視野で50μm長さをX線分析によって無作為に10回線分析し、それぞれの線分析における各合金元素の含有量の最大値および最小値を求めた。最大値と最小値それぞれについて値の大きい2ヶを除去した残りの8回分について最大値と最小値の平均値を求め、その比を濃度比として算出した。
上記の供試材から引張方向と圧延方向が平行になるようにJIS Z 2201に規定される13B号試験片を採取し、JIS Z 2241に規定される方法に従い、室温(25℃)での引張強度〔TS(MPa)〕を求めた。
上記の供試材から長手方向と圧延方向が平行になるように幅10mm×長さ60mmの試験片を採取し、試験片の長手方向に電流を流して試験片の両端の電位差を測定し、4端子法により電気抵抗を求めた。続いてマイクロメータで計測した試験片の体積から、単位体積当たりの電気抵抗(抵抗率)を算出し、多結晶純銅を焼鈍した標準試料の抵抗率1.72μΩ・cmとの比から導電率〔IACS(%)〕を求めた。
上記の供試材から長手方向と圧延方向が平行になるように、幅10mm×長さ60mmの試験片を複数採取し、曲げ部の曲率半径(内径)を変えて、90°曲げ試験を実施した。光学顕微鏡を用いて、試験後の試験片の曲げ部を外径側から観察した。そして、割れが発生しない最小の曲率半径をRとし、試験片の厚さtとの比B(=R/t)を求めた。
B≦41.2686−39.4583×exp[−{(TS−615.675)/2358.08}2] ・・・ (b)
また、950℃での溶体化処理を実施した比較例5、9、11および15は、引張強度が劣り、曲げ加工性も悪かった。
供試材からそれぞれ幅10mm×長さ10mmの試験片を採取し、圧延面に垂直で、且つ圧延方向と平行な断面を鏡面研磨し、JIS Z 2244に規定される方法により、25℃、荷重9.8Nでのビッカース硬さを測定した。
熱伝導度〔TC(W/m・K)〕は、上記の導電率〔IACS(%)〕を、図1中に記載の式「TC=14.804+3.8172×IACS」から求めた。
回転数が12000rpmの卓上グラインダーを使用しJIS G 0566に規定される方法に準じた火花試験を行い、目視により火花発生の有無を確認した。
Claims (12)
- Zn、Sn、Ag、Mn、Fe、Co、Al、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ta、W、Ge、TeおよびSeの中から選ばれた1種または2種以上の合計で0.1〜20質量%含み、残部が銅および不純物からなり、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足することを特徴とする銅合金。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。 - 質量%で、Ti:0.01〜5%、Zr:0.01〜5%およびHf:0.01〜5%の中から選ばれたいずれか1種を含有し、更に、Zn、Sn、Ag、Mn、Fe、Co、Al、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ta、W、Ge、TeおよびSeの中から選ばれた1種または2種以上の合計で0.01〜20%含み、残部が銅および不純物からなり、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足することを特徴とする銅合金。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。 - 質量%で、Cr:0.01〜5%を含有し、更に、Zn、Sn、Ag、Mn、Fe、Co、Al、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ta、W、Ge、TeおよびSeの中から選ばれた1種または2種以上の合計で0.01〜20%含み、残部が銅および不純物からなり、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足することを特徴とする銅合金。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。 - 請求項1から請求項3までのいずれかに記載の銅合金において、銅の一部に代えて、更にMg、Li、Caおよび希土類元素の中から選ばれた1種または2種以上の合計で0.001〜2質量%含むことを特徴とする銅合金。
- 請求項1から請求項4までのいずれかに記載の銅合金において、銅の一部に代えて、更にP、B、Bi、Tl、Rb、Cs、Sr、Ba、Tc、Re、Os、Rh、In、Pd、Po、Sb、Au、Ga、S、Cd、AsおよびPbの中から選ばれた1種または2種以上の合計で0.001〜3質量%含むことを特徴とする銅合金。
- 少なくとも1種の合金元素の微小領域における平均含有量の最大値と平均含有量の最小値との比が1.5以上であることを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載の銅合金。
- 結晶粒径が0.01〜35μmであることを特徴とする請求項1から6までのいずれかに記載の銅合金。
- 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の化学組成を有する銅合金を溶製し、鋳造して得た鋳片を、少なくとも鋳造直後の鋳片温度から450℃までの温度域において0.5℃/s以上の冷却速度で冷却することを特徴とする、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足する銅合金の製造方法。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。 - 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の化学組成を有する銅合金を溶製し、鋳造して得た鋳片を、少なくとも鋳造直後の鋳片温度から450℃までの温度域において0.5℃/s以上の冷却速度で冷却し、600℃以下の温度域で加工することを特徴とする、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足する銅合金の製造方法。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。 - 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の化学組成を有する銅合金を溶製し、鋳造して得た鋳片を、少なくとも鋳造直後の鋳片温度から450℃までの温度域において0.5℃/s以上の冷却速度で冷却し、600℃以下の温度域で加工した後、150〜750℃の温度域で30秒以上保持する熱処理に供することを特徴とする、合金中に存在する析出物および介在物のうち粒径が1μm以上のものの粒径と、析出物および介在物の合計個数とが下記(1)式で示される関係を満足する銅合金の製造方法。
logN≦0.4742+17.629×exp(−0.1133×X) ・・・ (1)
但し、Nは単位面積当たりの析出物および介在物の合計個数(個/mm2)、Xは析出物および介在物の粒径(μm)を意味する。 - 600℃以下の温度域での加工および150〜750℃の温度域で30秒以上保持する熱処理を複数回行うことを特徴とする請求項10に記載の銅合金の製造方法。
- 最後の熱処理の後に、600℃以下の温度域での加工を行うことを特徴とする請求項10または11に記載の銅合金の製造方法。
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