JP2006124835A - 析出硬化型銅基合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐付着性を低下し、かつ導電率を従来より高め、高強度の機械特性および耐焼鈍性が改善された析出硬化型銅合金を提供する。
【解決手段】クロム、ジルコニウム、またはチタンのうちの少なくとも１つの元素を含有させ、合わせてリンを含有させて析出硬化させる銅合金とする。クロムは０．１〜１．５重量％、ジルコニウムは０．０１〜０．２５重量％、チタンは０．０５〜３．４重量％含有させ、リンは１００〜５００ｐｐｍとし、銅は９８．５重量％以上とする。
【選択図】なし
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【選択図】なし
Description
本発明は、高強度の機械的特性および耐焼鈍性が改善された、少なくとも１種の析出硬化型の銅基合金に関するものである。
特許文献１には、小型の電気電子部品の材料として用いられる析出硬化型の銅基合金の製造方法が記載されている。この合金は、２〜４重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のシリコン、０．１〜１．０重量％の亜鉛、０．００１〜０．１５重量％のアルミニウム、０．０１〜０．１重量％のマンガン、および０．００１〜０．１重量％のクロムを含有している。この合金は、合金元素を多く含むので、その製造費用が合金元素数の少ない合金よりも高い。
特許文献２において、析出硬化型銅基合金は、０．２５〜１．５重量％のクロムを含み、このクロムは、０．２％以下の量の亜鉛、ボロン、ナトリウム、リチウムおよびリンの脱酸素剤と、０．１〜５．０％のニッケル、鉄またはコバルトの強化元素とを有している。この特許文献２の合金における導電率は、６９〜７４％IACS（International Annealed Copper Standard）である。
銅の導電率および強度は、銅の純度によって決まる。また、高純度の銅は、高強度の機械的特性および耐焼鈍性を要する多くの用途には軟らかすぎる。銅の直接合金は、銅の導電率に対して反比例関係にあるのでかなり不利である。優れた電気特質を有する高強度の銅合金を生産するためには、銅内部に析出物を形成する合金元素を精選することが有益である。析出硬化型合金は、所要合金量が少ない利点があり、一度時効化すれば、85％IACSを超える導電率が得られる。しかし、今日では、析出硬化型銅基合金の特性において、とくに導電率が新たな解決手段を伴って、たとえばこれらの合金が使用され得る電気、電子あるいは溶接産業などにおいて高められることが要求される。
本発明は、従来技術の欠点を解消し、合金特性において、耐付着性を低下し、かつ導電率を従来よりも高めて改善された析出硬化型銅合金を実現することを目的とする。本発明の基本的な特徴は、特許請求の範囲に記載されている。
本発明によれば、クロム銅（CuCr）、クロムジルコニウム銅（CuCrZr）、ジルコニウム銅（CuZr）、またはチタン銅（CuTi）の析出硬化型合金は、合金元素として１００〜５００ｐｐｍのリンを含んでいる。クロム、ジルコニウム、またはチタンを含む銅にリンを添加すると、硬度および電気的特性に有意な影響を及ぼす。
本発明によれば、クロム銅（CuCr）、クロムジルコニウム銅（CuCrZr）、ジルコニウム銅（CuZr）、またはチタン銅（CuTi）の析出硬化型合金は、０．１〜１．５重量％のクロム、および／または０．０１〜０．２５重量％のジルコニウムもしくは０．０５〜３．４重量％のチタンを含み、残りは銅および一般的な不純物である。クロムおよび／またはジルコニウムを含む合金の銅含有量は、少なくとも９８．５重量％であり、チタンを含む合金の銅含有量は、少なくとも９６．５重量％である。
銅合金中の合金元素であるリンは、リン化物を形成し、このようにリン化物が形成されると、析出硬化型銅合金の導電率および機械的強度に影響を及ぼす。本発明によれば、リンが合金元素としてこれらのクロム銅（CuCr）、クロムジルコニウム銅（CuCrZr）、ジルコニウム銅（CuZr）、またはチタン銅（CuTi）の析出硬化型合金に添加されると、リン化物は、熱処理中あるいは鋳造中でも形成できる。本発明によれば、リンが５５０ｐｐｍまで添加されると、合金の電気的および機械的特性に有意な影響を及ぼす。リン化物が形成されると、格子構造内部で結晶粒の粗大化がなされ、これによって転位エネルギが増加し、また本発明の場合では、合金元素であるクロム、ジルコニウムおよびチタンの溶解度が低下する。
本発明の析出硬化型銅基合金は、電気、電子ならびに溶接産業において、多様な解決手段で導電率や機械的強度などの特性が改善されて、有意に使用される。
本発明を添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
５００ｐｐｍまでのリンがクロム、ジルコニウム、およびチタンを含有する析出硬化型銅基合金に添加されると、導電率に直接、影響を及ぼす。リンが添加されると、面心立方銅（ｆｃｃ−Ｃｕ）の終局結晶構造における合金元素であるクロム、ジルコニウム、またはチタンの溶解度が低下する。たとえば、クロムは、Cr3PやCrP4などの耐熱性リン化物を形成するが、銅との二重のリン化物は形成できない。その理由の一つは、クロムが銅のような面心立方（ｆｃｃ）ではなく、体心立方（ｂｃｃ）の終局結晶構造を有するからである。
リン存在下でのクロムの銅への溶解度が図１に示されている。図１は、Villars P., Prince A., Okamoto H., Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams, Vol 7 & 8, ASM International, Metals Park (OH), 1998を参照した。図１は、温度６００℃での添加三元成分である銅−クロム−リンを銅側（銅１００％）から示す。ここでの用語「添加」は、三元成分の相互作用を考慮しないことを示し、その近似は、とくに銅に含まれるクロムの場合、溶解度が非常に小さいためにｆｃｃ固溶体において大きな差をもたらさない。固体銅におけるクロムの溶解度は、０．０１重量％未満であるため、リンの溶解度への影響は非常に少ない。他方、銅クロム合金におけるリンの溶解度は、Cr2Pリン化物によって銅−リンの二元合金におけるリンの溶解度の数分の一に制限される。
高温で測定された等温線では、三元成分系のクロム−リン辺にわたるリン化クロム（Cr2P）が、約０．１重量％のクロムを含む標準的な銅−クロム組成におけるリンの溶解度を制限することが示されている。温度６００℃でのｆｃｃ−Ｃｕおよびｂｃｃ−Ｃｒの二元合金におけるリンの最大溶解度は、約１００ｐｐｍである。その濃度を超えると、CrPリン化物がｆｃｃ−Ｃｕとｂｃｃ−Ｃｒの二相系から析出される。また、図１からわかるように、高濃度のリンが添加されると、ｆｃｃ−Ｃｕ合金におけるクロムの溶解度が体系的に低下する。
ジルコニウムは、三元化合物を形成し、ジルコニウム銅のリン化物（Cu2ZrP）の化学量論によって安定している。さらに、鋳造あるいは時効化中の過飽和状態のジルコニウム−リン−銅合金から、リン化ジルコニウム（Zr5P4）の二元化合物が析出される。この二元化合物は、導電率に影響を及ぼさず、銅中のジルコニウムの溶解度を実質的に低下させる。
チタンは、リンを伴って、たとえばリン化物Ti3PおよびTiPを形成する。また、チタンは、銅およびリンを伴う、安定した三元化合物（Cu2TiP）を形成する。また、チタンが合金元素として析出硬化型銅基合金に含まれる場合、二元および三元化合物が形成されると、銅の導電率ならびに張力の増大が促進する。
リンは、クロム銅、ジルコニウム銅、およびチタン銅系に影響を及ぼして、耐力、張力および硬度を増大させるが、延性に影響を及ぼすことはない。また、リン化物が形成されると、再結晶温度にも有利な影響を及ぼす。このリン化物の影響によって、ひずみ硬化または冷間加工された材料は、８００〜１２００℃の温度にさらされることが可能となる。この温度では、他のほとんどの高伝導合金は、ひずみ硬化によって得られる特性のほとんどを失う。
高温下でリン化物がひずみ硬化材料に及ぼす影響を測るために、銅と、０．７５重量％のクロムと、０．０６重量％のジルコニウムと、様々な量のリンとを含む合金（CuCrZrP）で応力緩和試験を行った。１７５℃での１００時間の試験後に残存する応力値の割合（％）を図２に示す。図２が示すように、リン含有量がより高いCuCrZrP合金では、残存する応力量は、ほぼ１００％である。しかしながら、合金処理では優れた特性を実現することが重要であることを指摘しなければならない。図２に基づけば、リン含有量が５５０ｐｐｍを超えると、リンで合金された、クロム、ジルコニウム、またはチタンを含有する析出硬化型銅基合金の導電率および機械的特性に悪影響を及ぼすことがわかる。
Claims (10)
- クロム、ジルコニウム、またはチタンのうちの少なくとも１つの元素を含む析出硬化型銅基合金であって、該合金は、リンで合金されることを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項１に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、１００〜５００ｐｐｍのリンを含むことを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項１または２に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、少なくとも９８．５重量％の銅を含むクロム銅合金であることを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項３に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、０．１〜１．５重量％のクロムを含むことを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項１または２に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、少なくとも９８．５重量％の銅を含むジルコニウム銅合金であることを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項５に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、０．０１〜０．２５重量％のジルコニウムを含むことを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項１または２に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、少なくとも９８．５重量％の銅を含むクロムジルコニウム銅合金であることを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項７に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、０．１〜１．５重量％のクロムと０．０１〜０．２５重量％のジルコニウムとを含むことを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項１または２に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、少なくとも９６．５重量％の銅を含むチタン銅合金であることを特徴とする析出硬化型銅基合金。
- 請求項９に記載の析出硬化型銅基合金において、該合金は、０．０５〜３．４重量％のチタンを含むことを特徴とする析出硬化型銅基合金。
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