JP2010106332A

JP2010106332A - 抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料

Info

Publication number: JP2010106332A
Application number: JP2008281068A
Authority: JP
Inventors: Isao Takahashi; 高橋　　功
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】ベリリウム等の環境負荷物質を用いることなく、高強度、高導電かつ疲労強度に優れる抵抗溶接機の構造部材用の銅合金材料を提供する。
【解決手段】Ｎｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さ９００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料。さらにＳｎを０．０５〜１．５ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、Ａｇを０．００５〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｎを０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅを０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｃｒを０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｃｏを０．０５〜２ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を総量で０．００５〜２ｍａｓｓ％含有してもよい。
【選択図】なし

Description

この発明は、自動車等の製造に用いられる抵抗溶接機の構造部材に好適に使用される銅合金材料に関するものである。

自動車のボディー、フレーム等の接合には、抵抗溶接機が使用されている。抵抗溶接とは、複数枚の被溶接材をアームと呼ばれる部材で挟み、荷重を加えながら高い電流を流すことで、被溶接材自身がジュール熱により発熱して溶融し、加圧により接合する溶接方法である。アームの先端にはチップと呼ばれる電極が取り付けられ、複雑な部位を溶接する場合は、アームに別の部材であるシャンクを取り付け、シャンクの先端にチップを取り付ける。抵抗溶接機のアームやシャンクは、溶接機の構造を成すと共に電流を流す導体の役目も担っているため、材料には導電性が要求される。また、溶接時の加圧力は４×１０^３Ｎを超えるため、高強度、高疲労特性が要求される。これらの要求を満足する材質として、ベリリウム銅（ＪＩＳＣ１７２０）がこれまで使用されていた。

ところで、ベリリウム銅は高価であるとともに、製造過程において発生するベリリウム蒸気や微粉末の吸引による健康被害を懸念する声が近年高まっていることから、代替材料が望まれていた。また、ベリリウム銅は、仕上げに行う時効熱処理による寸法変化が大きく歩留まりを低下させるため、寸法変化の少ない材料が望まれていた。さらに、ベリリウム銅は軟化開始温度が４００℃以下であり、発熱の大きいチップ部分で変形が起きやすい問題があった。この問題を解決する技術として、抵抗溶接機の電極（チップ）部分については、銅にニッケルとケイ素を添加した合金（コルソン合金）をベリリウム銅の代替材料として適用する例が知られている。（特許文献１参照）

特許３５６３３１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された銅合金材料は、抵抗溶接機の電極（チップ）部分には使用できるが、抵抗溶接機のアーム等の構造部材に用いるためには強度が十分でない。また、クロム（Ｃｒ）の含有量が多いため、環境負荷の観点で課題を残している。

このような問題に鑑み、本発明はなされたもので、高強度、高導電かつ疲労強度に優れる抵抗溶接機の構造部材用の銅合金材料を提供することを目的とするものである。

本発明者らは鋭意検討した結果、特定の組成の時効析出型銅合金を用いることで、抵抗溶接機の構造部材として使用するのに十分な強度、導電性、疲労特性を有し、仕上げに行う時効熱処理による寸法変化が少ない材料を製造し得ることを見出した。

すなわち、本発明は、
（１）Ｎｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さ９００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料、
（２）Ｎｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％含有し、さらにＳｎを０．０５〜１．５ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、Ａｇを０．００５〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｎを０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅを０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｃｒを０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｃｏを０．０５〜２ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を総量で０．００５〜２ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さ９００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料、
（３）材料中に存在する介在物の大きさを２０μｍ以下、密度を１０個／ｍｍ^２以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料、
を提供するものである。

本発明の銅合金材料は、Ｎｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、抵抗溶接機の構造部材として使用するのに十分な強度、導電性、疲労特性を有し、仕上げに行う時効熱処理による寸法変化が少ない。また、その他の元素を添加する場合でも、環境への影響を少なくすることが可能であり、ベリリウム銅の代替材料として好適な材料となる。

本発明の構造部材用銅（Ｃｕ）合金材料の好ましい実施の態様について、詳細に説明する。まず、各合金元素の作用効果とその含有量の範囲について説明する。

ニッケル（Ｎｉ）とケイ素（Ｓｉ）は、ＮｉとＳｉの含有比を制御することによりマトリクス中にＮｉ−Ｓｉ析出物（Ｎｉ_２Ｓｉ）を形成させて析出強化を行い銅合金の強度を向上させるために含有する元素である。Ｎｉの含有量は３．０〜４．５ｍａｓｓ％であり、３．２〜４．３ｍａｓｓ％であることが好ましい。Ｎｉ量が少なすぎるとその析出硬化量が小さく強度が不足する。多すぎると、鋳造時や熱処理（例えば、溶体化処理、時効処理、焼鈍処理）時に強度上昇に寄与しない析出が生じ、添加量に見合う強度を得ることができないばかりか、伸線加工性、曲げ加工性にも悪影響を与えることになる。

Ｓｉは質量％で計算するときはＮｉ含有量の約１／４の時に最も強化量が大きくなることが知られている。本発明において、Ｓｉの含有量は０．６〜１．２ｍａｓｓ％であり、０．７〜１．１ｍａｓｓ％であることが好ましい。

次に、スズ（Ｓｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）を含有する場合の含有量の範囲を限定した理由を説明する。これらの元素は、強度や加工性を向上させると言う点で類似の機能を有しているものであり、含有させる場合には、Ｓｎ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏの中から選ばれる１種または２種以上を合計量として０．００５〜２ｍａｓｓ％、好ましくは０．０３〜１．５ｍａｓｓ％含有させるものである。

Ｓｎは強度、疲労特性を向上させるとともに伸線加工性を改善する。Ｓｎが０．０５ｍａｓｓ％未満であると改善効果は現れず、逆に１．５ｍａｓｓ％を超えて添加されると導電性が低下する。従って、Ｓｎを添加する場合の含有量は０．０５〜１．５ｍａｓｓ％、好ましくは０．１〜１．０ｍａｓｓ％とする。
Ｍｇは強度を向上させるとともに耐クリープ特性を改善する。０．０１ｍａｓｓ％未満であると改善効果は現れず、０．２ｍａｓｓ％以上では導電性が低下する。従って、Ｍｇを含有する場合の含有量は０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、好ましくは０．０５〜０．１５ｍａｓｓ％である。
Ａｇは耐熱性および強度を向上させると同時に、結晶粒の粗大化を阻止して強度を高める。Ａｇ量が０．００５ｍａｓｓ％未満ではその効果が充分に得られず、０．３ｍａｓｓ％を超えて添加しても特性上に悪影響はないもののコスト高になる。これらの観点から、Ａｇを含有する場合の含有量は０．００５ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％、好ましくは０．０１〜０．２ｍａｓｓ％とする。
Ｍｎは、強度を上昇させると同時に熱間加工性を改善する効果があり、０．０１ｍａｓｓ％未満であるとその効果が小さく、０．５ｍａｓｓ％を超えて含有しても、添加量に見合った効果が得られないばかりでなく、導電性を劣化させる。よってＭｎを含有する場合の含有量は０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、好ましくは０．１〜０．３５ｍａｓｓ％とする。
Ｆｅ、ＣｒはＳｉと結合し、Ｆｅ−Ｓｉ化合物、Ｃｒ−Ｓｉ化合物を形成し、強度を上昇させる。また、Ｎｉとの化合物を形成せずに銅マトリックス中に残存するＳｉをトラップし、導電性を改善する効果がある。Ｆｅ−Ｓｉ化合物、Ｃｒ−Ｓｉ化合物は析出硬化能が低いため、多くの化合物を生成させることは強度向上の観点から得策ではない。また、０．２ｍａｓｓ％を超えて含有すると曲げ加工性が劣化してくる。これらの観点から、Ｆｅ、Ｃｒを含有する場合の添加量は、それぞれ０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、好ましくはそれぞれ０．０３〜０．１５ｍａｓｓ％とする。
ＣｏはＮｉと同様にＳｉと化合物を形成し、強度を向上させる。ＣｏはＮｉに比べて高価であるため、本発明ではＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を利用しているが、コスト的に許されるのであれば、Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系やＣｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ系を選択してもよい。Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ系は時効析出させた場合に、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系より強度、導電性ともにわずかによくなる。したがって、熱・電気の伝導性を重視する部材には有効である。また、Ｃｏ−Ｓｉ化合物は析出硬化能が僅かに高いため、耐クリープ特性も若干改善される傾向にある。これらの観点から、Ｃｏを含有する場合の添加量は、０．０５〜２ｍａｓｓ％、好ましくは０．０８〜１．５ｍａｓｓ％とする。
これらを２種以上同時に添加する場合には、求められる特性に応じて適宜決定すればよいが、導電性、曲げ加工性の観点から総量で０．００５〜２．０ｍａｓｓ％とした。

次いで、本発明に用いられる銅合金材の強度、導電性について述べる。
本合金の用途は抵抗溶接機の構造部材であり、溶接時の加圧力は４００ｋｇを超えるため、高強度、高疲労特性が要求される。強度と疲労特性は一般的に正の相関があるため、より高強度材が好ましいこととなる。ベリリウム銅の強度は引張強さで１１００〜１３００ＭＰａ程度であるが、実用的に必要な強度は引張強さで９００ＭＰａ以上である。これより低いと疲労破断が生じ易く問題となる。また、導電性は、ベリリウム銅の導電率は２０〜２５％ＩＡＣＳ程度であり、通電特性上は２０％ＩＡＣＳで十分であるが、放熱性に優れるという観点から導電性はより高い方が望ましい。特に高熱になるチップを接続するシャンク部は、導電性は高い方が良い。そのため、本発明では導電率を２５％ＩＡＣＳ以上と規定した。

次に、介在物の大きさ、密度について説明する。
介在物の大きさ、密度は、疲労特性に影響を与える。本発明に用いられる銅合金材の製造過程において、介在物の大きさを２０μｍ以下、密度を１０個／ｍｍ^２以下とすることで、疲労特性が向上する。これは、介在物が存在すると応力集中が生じ、そこを起点に破壊が開始するためと考えられる。そのため、介在物は小さく、少ない方が良く、好ましくは大きさ１５ｍ以下、密度を８個／ｍｍ^２以下である。介在物の種類としては、溶解時に溶け残ったもの（未溶解化合物）や鋳造時の凝固過程において生じるもの（晶出物）等が考えられる。

抵抗溶接機の構造部材のうち、特にアーム部は曲げなどの成形加工により目的とする形状を得ている。従来材のベリリウム銅や本発明の銅合金は時効熱処理により材料を硬化させて使用する合金であるが、硬化後は曲げ加工が困難となるため、一般には時効処理前に成形加工を行い、その後時効処理を行う。ベリリウム銅は、この時効熱処理による寸法変化が大きく歩留低下の要因となっている。これは、ベリリウム銅の析出物の結晶構造やＣｕマトリックスと異なり、格子定数の差が大きいことによるものであり、一般には０．２％程度収縮すると言われている。一方、本発明のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系の銅合金は、時効処理による寸法変化が小さいため（０．１％以下）、本発明の用途にはベリリウム銅より優位である。

また、ベリリウム銅は、析出物を形成する温度は３２０℃付近であり、これより高温では材料が軟化する。一方、本発明の合金の析出物を形成する温度は４５０℃付近であるためベリリウム銅より耐熱性が高く優位である。特に、チップ先端は６００℃以上に達するとされており、チップが接続される部位には特に優位と言える。

本発明において、製造方法に制約はない。例えば、ビレットの熱間押出、鋳塊の熱間鍛造、あるいは連続鋳造などの製造方法のいずれでも本発明の抵抗溶接機の構造部材用銅合金を製造することが可能である。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

（実施例１）
種々の組成のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（表１参照）を高周波溶解炉にて溶解し、各ビレットを鋳造した。次に、前記ビレットを９００℃で熱間押出して、直ちに水中焼入れを行い、丸棒を得た。次いで前記丸棒を冷間にて引抜きを行い直径２０ｍｍの丸棒を製造し、さらに４５０℃で２時間時効熱処理を行った。この様にして得られた丸棒について、［１］引張強度、［２］導電率、［３］疲労特性を下記方法により調べた。なお、合金Ｎｏ．３１については、直径２０ｍｍの市販材をそのまま使用した。
［１］引張強度
ＪＩＳＺ２２４１に準じて３本測定しその平均値（ＭＰａ）を示した。
［２］導電率
四端子法を用いて、２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で、各試料について２本ずつ測定し、その平均値（％ＩＡＣＳ）を示した。
［３］疲労試験
各試料より、厚さ０．３ｍｍの板を切り出し、負荷応力３００ＭＰａにて疲労試験を行った。測定は各試料につき３枚ずつ行い、その平均をとった。応力の付与は１０^６回（１００万回）までとして、破断が生じたものは破断した時の応力付与回数をカウントし、破断が生じなかったものは１００万回以上とした。測定結果を表２に示す。

表２の合金Ｎｏ．１〜２０は本発明例に関するものである。何れの材料も引張強さ９００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上を満足している。また、疲労特性も１００万回以上となっている。
表２の合金Ｎｏ．２１〜２９は合金成分を本発明例の範囲外とした例である。Ｎｏ．２１はＮｉが低目であり、引張強さが低く疲労特性を満足しない。Ｎｏ．２２は、Ｓｉが低目であり、引張強さが低く疲労特性を満足しない。Ｎｏ．２３〜２９は、添加元素の含有量が規定より多いことにより、導電率が低下している。

（実施例２）
介在物の大きさが疲労特性に及ぼす影響について、本実施例を用いて示す。
表１の合金のＮｏ．１、３、４、６、９および１０の組成の銅合金からビレットを鋳造した。この時、溶解温度を低目、溶解時間を短目とし、また鋳造時の冷却速度を変えることで、粗大で高密度な介在物をビレット内部に形成させた。得られたビレットを９００℃で熱間押出して、直ちに水中焼入れを行い、丸棒を得た。次いで前記丸棒を冷間にて引抜きを行い直径２０ｍｍの丸棒を製造し、さらに４５０℃で２時間時効熱処理を行った。この様にして得られた丸棒について、引張強度、導電率、疲労特性を前述の方法により調べた。また、介在物の大きさ、密度については、得られた丸棒の任意の３箇所の横断面について、光学顕微鏡を用いてそれぞれ３視野について組織を調査することにより求めた。ビレットの組成を表３に、特性値の測定結果を表４に示す。

表４の合金Ｎｏ．１ｘ、３ｘ、４ｘ、６ｘ、９ｘおよび１０ｘにより製造された丸棒は、大きな介在物が存在し、また存在密度が高いことにより、疲労強度が何れも１００万回以下である。また、強度向上に有効な成分が介在物に取られたため、本発明例より強度が低くなっている。

Claims

Ｎｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さ９００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料。
Ｎｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％含有し、さらにＳｎを０．０５〜１．５ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、Ａｇを０．００５〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｎを０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅを０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｃｒを０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｃｏを０．０５〜２ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を総量で０．００５〜２ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、引張強さ９００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料。
材料中に存在する介在物の大きさが２０μｍ以下、密度が１０個／ｍｍ^２以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の抵抗溶接機の構造部材用銅合金材料。