JP3316191B2 - 鏡面性に優れたベリリウム−銅−亜鉛合金 - Google Patents

鏡面性に優れたベリリウム−銅−亜鉛合金

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、鏡面性に優れた
ベリリウム−銅−亜鉛合金に関し、特にベリリウム−銅
合金中に適量の亜鉛を含有させることにより、みがき性
を改善して鏡面性の有利な向上を図ると共に、時効硬化
の促進、鋳造性の向上および結晶組織の均質化を併せて
実現しようとするものである。
【0002】
【従来の技術】ベリリウム−銅合金とは、銅の中に3ma
ss%以下のベリリウムを固溶させ、さらにはこれに少量
の元素を添加した合金である。このベリリウム−銅合金
は、溶体化処理を行ってから焼入れすると、過飽和とな
ったベリリウムを固溶したままのα相の組織が得られ、
その後、溶体化処理したものを低温で加熱すると、過飽
和のベリリウムはα相中よりγ相 (CuBe) として析出
し、合金は著しく硬化する。
【0003】このように、ベリリウム−銅合金は、焼入
れ、焼戻し効果によって、著しく硬化(析出硬化)する
ことから、この性質を利用して各分野で広範囲にわたり
利用されている。例えば、この合金に適切な熱処理を施
すと、特殊鋼に匹敵する高強度と優れたバネ性、非発火
性、導電性、耐摩耗性および耐食性などが得られること
から、通信機、石油化学および自動車等の分野において
幅広く使用されている。また、精密鋳造性も良いことか
らプラスチック金型としても利用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ベリリ
ウム−銅合金は、鏡面研磨を行うと、鋳造品の鋳放しで
の結晶粒の大きさが影響して、みがきムラが発生し易い
という問題を残していた。このみがきムラは、プラスチ
ック成形品の見栄えを劣化させ、商品価値を大幅に低下
させる不利がある。
【0005】この発明は、上記の問題を有利に解決する
もので、従来懸念されたみがきムラの発生を効果的に防
止したベリリウム−銅−亜鉛合金を提案することを目的
とする。
【0006】さて、発明者らは、上記の問題を解決すべ
く鋭意検討を重ねた結果、ベリリウム−銅合金中に適量
の亜鉛を添加することが、所期した目的の達成に関し、
極めて有効であることの知見を得た。また、実験の過程
で、亜鉛の添加は、この種合金に特有の現象である時効
硬化を促進させるだけでなく、融点が低下して鋳造性を
向上させ、さらには結晶組織の均質化や黒色酸化物の発
生防止の面でも有効であることの知見を得た。この発明
は、上記の知見に立脚するものである。
【0007】 すなわち、この発明は、Be:1.61〜3.0 mass%、 Zn:5.0 〜30.0mass%、 Co:1.0 mass%以下および Si:0.16〜0.23mass% を含有し、残部はCuおよび不可避的不純物の組成になる
ことを特徴とする鏡面性に優れたベリリウム−銅−亜鉛
合金である。
【0008】
【0009】
【発明の実施の形態】以下、この発明を由来するに至っ
た実験結果について説明する。試料としては、表1に示
す5種類のベリリウム−銅合金を用いた。同表中、No.1
は金型用として一般的な 275C合金、No.2は鍛造材の25
合金であり、No.3〜5はそれぞれ亜鉛を10mass%、20ma
ss%および30mass%目標で添加したベリリウム−銅−亜
鉛合金である(No.1, 3〜5は鋳造材)。
【0010】
【表1】
【0011】実験1 表1中、No.1〜3の試料をついて、鋳造後、鏡面研磨
(バフ研磨)を施した後の結晶粒の大きさおよび均一性
を測定した。また、研磨後の表面粗さについても測定
し、最終的なみがき性について評価した。なお、みがき
性の評価は ○:♯1000エメリーペーパーレベルの研磨で傷とみがき
ムラがなくなる、 △:バフ研磨レベルでみがきムラがなくなる、 ×:バフ研磨レベルでもみがきムラが残る で行った。結晶粒の大きさおよび均一性についての測定
結果を表2に、またバフ研磨後の表面粗さおよび最終的
なみがき性についての評価結果を表3に示す。
【0012】
【表2】
【0013】
【表3】
【0014】表2および表3に示したとおり、ベリリウ
ム−銅−亜鉛合金に20mass%の亜鉛を添加した場合に
は、 275C合金や25合金に比べると、結晶粒の大きさが
小さく、均一になっており、また研磨後の表面粗さも良
好で、優れたみがき性が得られている。
【0015】実験2 表1中、No.1, 3〜5の試料を、 800℃, 2hrの溶体化
処理を行ってから、水焼入れし、 360℃で所定の時間だ
け時効処理を行った。時効時間と硬度との関係について
調べた結果を図1〜図4に示す。なお、各試料全体の平
均的な硬度測定には、ビッカース硬さ試験機を用い、ま
た組織中の各相の硬度測定には、マイクロビッカース硬
さ試験機を用いた。
【0016】同図に示したとおり、 275C合金は、溶体
化処理後のビッカース硬度(Hv)は151 であったが、約
1時間の時効処理によって著しく硬化(Hv : 425)し
た。これに対し、Cu−Be−10Zn合金は、溶体化処理後の
Hv は175 であり、時効処理:約30分で最高硬度(Hv
:324 )に達した。また、Cu−Be−20Zn合金は、溶体
化処理後のHv は404 と極めて高く、約5分間の時効処
理により最高硬度(Hv :420 )に達した。さらに、Cu
−Be−30Zn合金は、溶体化処理後のHv は365 であり、
時効処理:約20分間で最高硬度(Hv :380 )に達し
た。
【0017】このように、ベリリウム−銅合金に亜鉛を
添加することにより、最高硬度に達するまでの時効時間
が 275C合金の場合に比べて大幅に短縮される。なお、
Cu−Be−10Zn合金については、時効処理時間が短縮され
たとはいえ、最高硬度が324 と、 275C合金に比べると
幾分低下したが、この理由は 275C合金に比べるとBe含
有量が少なかったことによるものと考えられる。この
点、Cu−Be−20Zn合金は、 275C合金に比べるとBe含有
量が少ないにもかかわらず、約5分間の時効処理でHv
: 420 という 275C合金に比べても何ら遜色のない優
れた硬度を得ることができた。
【0018】実験3 溶体化処理( 800℃, 2hr→ W.Q)およびその後 360℃
で3時間の時効処理を施した各試料(No.1, 3〜5)に
ついて、# 240〜1500のエメリー紙で湿式研磨仕上げを
したのち、次の条件でX線回折を行い、合金の生成相を
分析した。 ・ターゲット:Cu ・電圧,電流:40kV,300mA ・2θ:20°〜100 °
【0019】 275C合金のX線回折結果を図5に示す。
同図に示したとおり、溶体化処理した試料では、ほとん
どがα相で、わずかにβ相のピークが見られたのに対
し、時効処理した試料では、α相とγ相のピークが見ら
れた。また、時効処理した試料は、溶体化処理した試料
に比べてα相のピークがブロードになっていることか
ら、α相中からγ相が整合性をもって析出していること
が分かる。β相はα+γ相の共析組織になったと考えら
れる。
【0020】次に、Cu−Be−10Zn合金のX線回折結果を
図6に示す。同図に示したとおり、溶体化処理した試料
には、α相とγ相のピークが認められ、同様に、時効処
理を行った試料にもα相とγ相のピークが見られた。こ
こに、Cu−Be−10Zn合金の時効処理後の回折図形は、27
5C合金の場合とほぼ同じで、α相のピークはブロードに
なり、γ相ピークが高くなった。
【0021】次に、Cu−Be−20Zn合金を溶体化処理した
試料について、X線回折により生成相を同定した結果を
図7に示す。同図から明らかなように、この試料は、α
相およびγ相のピークが見られ、時効処理前であるにも
かかわらず、α相のピーク強度は低くブロードである。
この結果は、時効処理した場合とほぼ同じ回折図形であ
り、この時点でα相中にγ相が整合性をもって析出して
いると考えられる。
【0022】同様に、Cu−Be−30Zn合金の溶体化処理後
の試料について調査した結果を図8に示すが、この場合
も、Cu−Be−20Zn合金の場合と同様に、α相とγ相のピ
ークが見られ、しかもα相のピーク強度が低くブロード
であることから、γ相が整合性をもって析出していると
考えられる。
【0023】上述したとおり、 275C合金では、時効処
理によりてα相中にγ相を整合性をもって析出させるこ
とによって、硬化が進むのであるが、この点、かかるベ
リリウム−銅合金に適量のZnを添加した場合は、溶体化
処理段階である程度γ相が整合性をもって析出している
ため、初期硬度が高く、また短時間で最高温度に達する
ものと考えられる。
【0024】実験4 溶体化処理( 800℃, 2hr→ W.Q)およびその後 360℃
で3時間の時効処理を施した各試料(No.1, 3〜5)に
ついて、# 240〜1500のエメリー紙で湿式研磨後、 0.5
〜0.05μm のアルミナでバフ研磨仕上げを行ったのち、
光学顕微鏡およびEPMAを用いて組織観察を行った。
なお、組織観察のための腐食液は、蒸留水:80ml、硫
酸:5ml、二クロム酸カリウム:10gを使用した。
【0025】図9に、 275C合金の光学顕微鏡による組
織観察結果を示す。溶体化処理した試料では、デンドラ
イトα相組織およびデンドライト間隙の組織が見られ
た。デンドライトα相中に見られるくさび型の組織は、
BeとCoの金属間化合物である。また、図10に、溶体化処
理後の試料のEPMAの組成像による組織を示す。同図
より、デンドライト間隙は二相の混合組織となっている
ことが分かる。
【0026】図11に、Cu−Be−10Zn合金の光学顕微鏡に
よる組織観察結果を示す。同図に示したとおり、溶体化
処理した試料のデンドライト間隙の組織は、均一な組織
に見えた。この組織をEPMAによる組成像で組織観察
した結果を図12に示す。同図から明らかなように、光学
顕微鏡観察では均一な組織に見えた領域において、微細
な析出物が見られた。
【0027】図13に、Cu−Be−20Zn合金の光学顕微鏡に
よる組織観察結果を示す。このCu−Be−20Zn合金は、 2
75C合金やCu−Be−10Zn合金と異なり、デンドライト組
織ではなく、均一な二相組織になっている。この試料で
は、結晶粒界と粒内に島状にγ相が析出した領域がみら
れる。また、この試料についてEPMAによる組織観察
の結果を図14に示す。この合金では、溶体化処理後に部
分的にγ相が析出している。
【0028】図15に、Cu−Be−30Zn合金の光学顕微鏡に
よる組織観察結果を示す。溶体化処理を行った試料およ
び時効処理を行った試料は、275C合金、Cu−Be−10Znお
よびCu−Be−20Znと全く違う組織であり、微細な結晶の
組織となっていた。
【0029】このように、ベリリウム−銅合金にZnを添
加すると、溶体化処理後の結晶組織は変化する。この結
晶組織の変化形態は、Zn量に応じて幾分異なるけれど
も、いずれも微細となって、結晶組織は均質化されてい
る。
【0030】実験5 表1中、No.1, 3〜5の試料を、エレマ炉(電気抵抗
炉)で溶解し、セラミック鋳型に溶湯を流し込み、その
押湯部において、冷却曲線および凝固温度範囲を調査し
た。得られた冷却曲線を図16に、また凝固温度範囲を表
4に示す。また、ひけ具合や溶湯表面のカスの出具合に
ついても調査し、総合的な鋳造性を評価した。得られた
結果を表4に併記する。なお、鋳造性の評価は ○:鋳込み可能温度が低く、注湯時に酸化物等の介在物
発生が少なく、引け巣が出にくい、 △:上記○に対し、いずれかが劣っている、 ×:鋳込み可能温度が高く、注湯時に介在物が発生し易
く、引け巣も出易いで行った。
【0031】
【表4】
【0032】同表から明らかなように、ベリリウム−銅
合金に亜鉛を添加すると、亜鉛量が多くなるにつれて、
融点が下がり、また凝固温度範囲も狭くなっている。こ
の結果は、亜鉛を添加した場合には 275C合金よりも低
い温度で鋳造が可能であることを示している。また、亜
鉛添加合金は、ひけ具合も 275C合金と同等レベルであ
り、溶湯表面のカスの出具合も低減していた。このよう
に、ベリリウム−銅合金に亜鉛を添加することにより
鋳造性が格段に向上することが判明したのである。
【0033】なお、この発明の適用鋼種は、Beを1.61
3.0 mass%の範囲で含有し、かつCo:1.0 mass%以下
(ただし、0は含まない)およびSi:0.16〜0.23mass%
を含有する組成になるベリリウム−銅合金である。
【0034】
【発明の効果】かくして、この発明によれば、従来ベリ
リウム−銅合金において懸念された、みがきムラの発生
を効果的に防止できるだけでなく、時効硬化時間の短縮
および鋳造性の向上の面でも偉効を奏する。また、この
発明によれば、高価なBeの含有量を低減しても、従来と
遜色のない最高硬度を得ることができる、コストの面で
も有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 275C合金の時効時間と硬度との関係を示し
たグラフである。
【図2】 Cu−Be−10Zn合金の時効時間と硬度との関係
を示したグラフである。
【図3】 Cu−Be−20Zn合金の時効時間と硬度との関係
を示したグラフである。
【図4】 Cu−Be−30Zn合金の時効時間と硬度との関係
を示したグラフである。
【図5】 275C合金のX線回折パターンを示した図で
ある。
【図6】 Cu−Be−10Zn合金のX線回折パターンを示し
た図である。
【図7】 Cu−Be−20Zn合金のX線回折パターンを示し
た図である。
【図8】 Cu−Be−30Zn合金のX線回折パターンを示し
た図である。
【図9】 275C合金の光学顕微鏡組織写真である。
【図10】 X線マイクロアナライザー(EPMA)により
観察した 275C合金の金属組織写真である。
【図11】 Cu−Be−10Zn合金の光学顕微鏡組織写真で
ある。
【図12】 X線マイクロアナライザー(EPMA)により
観察したCu−Be−10Zn合金の金属組織写真である。
【図13】 Cu−Be−20Zn合金の光学顕微鏡組織写真で
ある。
【図14】 X線マイクロアナライザー(EPMA)により
観察したCu−Be−20Zn合金の金属組織写真である。
【図15】 Cu−Be−30Zn合金の光学顕微鏡組織写真で
ある。
【図16】 275C合金、Cu−Be−10Zn合金、Cu−Be−
20Zn合金およびCu−Be−30Zn合金の冷却曲線を比較して
示した図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Be:1.61〜3.0 mass%Zn:5.0 〜30.0mass% 、 Co:1.0 mass%以下および Si:0.16〜0.23mass% を含有し、残部はCuおよび不可避的不純物の組成になる
    ことを特徴とする鏡面性に優れたベリリウム−銅−亜鉛
    合金。
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