JP2012167347A

JP2012167347A - 高強度銅合金鍛造材

Info

Publication number: JP2012167347A
Application number: JP2011030660A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu MIYABE; 芳春宮部; Mamoru Mizusawa; 護水沢; Shinji Tanaka; 田中　　慎二
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: TWI539016B; US20130323114A1; WO2012111674A1; JP5522692B2; EP2677051A4; EP2677051A1; CN103384727A; CN103384727B; KR20130109238A; TW201235485A

Abstract

【課題】高硬度、高強度、高熱伝導率の特性を有する高強度銅合金鍛造材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｎｉ：３〜７．２％、Ｓｉ：０．７〜１．８％、Ｚｒ：０．０２〜０．３５％、Ｐ：０．００２〜０．０５％を含有し、さらに所望により、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種または２種以上を合計で１．５％以下で含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる高強度銅合金鍛造材とすることによって、適量のＺｒとＰとが作用して、加工時や熱処理時に材料に割れが生じにくく、加工及び熱処理後において、高硬度、高強度及び高熱伝導率の特性を有することができ、樹脂射出金型材や航空機部材などに好適に使用できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、樹脂射出金型材を始めとした鍛造成形品などに好適な高強度銅合金鍛造材に関する。

従来、導電性・熱伝導性に優れた合金として、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ系）、青銅（Ｃｕ−Ｓｎ系）、Ｂｅ銅やコルソン合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系）といった銅合金が用いられている。特に熱伝導とともに強度や硬度が要求されるような樹脂射出金型材や航空機部材などにはＢｅ銅やコルソン合金が用いられている。しかし、上記のＢｅ銅は溶解や加工時に生じる粉塵の有毒性が懸念され代替材が求められている。また、コルソン合金には更なる高熱伝導性、高強度、高硬度が求められている。
また、一般にＣｕ合金は鍛造時や熱処理時に割れが発生しやすく、熱間加工性に加え延性の向上も求められる。

近年、銅合金の箔帯で強度を増大し、かつ曲げ加工性を向上させる方策として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金にＭｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｎなどを添加した銅合金が提案されている（特許文献１〜５参照）。Ｍｇ、Ｓｎはマトリックスに固溶して強度を向上させる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｎは硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、熱間加工割れの原因である粒界への硫化物の偏析を軽減する。

特許文献２、３、５に示すような銅合金箔帯は、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｚｒなどを添加して、さらに、固溶化処理と時効処理の前後で、熱間圧延、冷間圧延や熱間引抜、冷間引抜を繰り返し行うことで従来の銅合金箔帯を上回る曲げ加工性と強度を有している。

特開２００６−９１０８号公報特開２００８−１９６０４２号公報特開２００８−２２３１３６号公報特開２００８−２６６７８７号公報特開２０１０−１０６３６３号公報

しかし、Ｃｕ合金成形品を製造する場合は、主に熱間鍛造で加工成形を行うため、箔帯製造で行うような圧延や引抜加工を採用できない場合、特許文献２、３、５に示すような成分で鍛造成形品を製造しても高強度が得られない。
高強度を得るためにはＮｉとＳｉの添加量の増加が有効であるが、熱伝導率や熱間加工性が低下する。また、凝固中に生成する晶出物や熱処理中に生成する析出物が増加し、熱処理後の延性が低下する。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、樹脂射出金型材を始めとした鍛造成形品などに使用可能で、高硬度、高強度、高延性、高熱伝導率の特性を得ることができる高強度銅合金鍛造材を提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に、粒界へのＮｉ_２Ｓｉの析出を抑制して延性を高める効果を有するＺｒを適量含有させ、さらに、微細析出物の密度を増加させる効果を有し、かつ、Ｎｉ、ＳｉならびにＺｒと化合物を形成するＰを適量含有させることで、高硬度、高強度、高熱伝導性の特性を有する材料を得ることを可能にするものである。

すなわち、本発明の高強度銅合金鍛造材のうち、第１の本発明は、質量％で、Ｎｉ：３〜７．２％、Ｓｉ：０．７〜１．８％、Ｚｒ：０．０２〜０．３５％、Ｐ：０．００２〜０．０５％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

第２の本発明の高強度銅合金鍛造材は、質量％で、Ｎｉ：３〜７．２％、Ｓｉ：０．７〜１．８％、Ｚｒ：０．０２〜０．３５％、Ｐ：０．００２〜０．０５％を含有し、さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種または２種以上を合計で１．５％以下含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

第３の本発明の高強度銅合金鍛造材は、０．２％耐力が６５０ＭＰａ以上、伸びが５％以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする。

以下に本発明における各成分の組成限定理由を説明する。なお、下記成分の含有量はいずれも質量％で示されている。

Ｎｉ：３〜７．２％
Ｓｉ：０．７〜１．８％
Ｎｉ及びＳｉは、時効処理を行うことによりＮｉとＳｉが微細なＮｉ_２Ｓｉを主とした金属間化合物の析出粒子を形成し、合金の強度を著しく増加させる。また、時効処理でのＮｉ_２Ｓｉの析出に伴い、導電性が向上し、熱伝導率が向上する。ただし、Ｎｉ濃度が３％未満で、かつＳｉ濃度が０．７％未満の場合は、所望とする強度が得られない。また、Ｎｉ濃度が７．２％を超え、かつＳｉ濃度が１．８％を超える場合は、鋳造時にＮｉ_２Ｓｉ、Ｎｉ_５Ｓｉ_２などが大量に晶出又は析出し、鍛造時や熱処理時に割れやすくなる。加えて、Ｎｉ濃度が７．２％を超えると導電率も低下し、熱伝導率が低下する。製造性や特性のバランスを考慮すると、Ｎｉ濃度は、下限３．５％、上限６．６％が望ましい。Ｓｉ濃度は、下限０．８％、上限１．７％が望ましい。なお、Ｎｉ／Ｓｉ比は３．８〜４．６が望ましい。この比から外れると、過剰となったＮｉ又はＳｉがＣｕマトリックス中に固溶して熱伝導率を低下させる。

Ｚｒ：０．０２〜０．３５％
Ｚｒは、硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、加工割れ（熱間加工割れ）の原因である結晶粒界への硫化物の偏析を軽減することで加工性（熱間加工性）を改善する。一方で、発明者らが鋭意調査した結果、Ｚｒ含有によりＮｉやＳｉの拡散が抑制されて粒界に析出するＮｉ_２Ｓｉが減少し、時効後の延性が改善されることが見い出されている。この効果を得るためにＺｒを０．０２％以上含有させる。しかし、０．３５％超含有するとＺｒ酸化物やＮｉ_２ＳｉＺｒなどの晶出物の増加、凝集によって製造性や特性が劣化するため、上限を０．３５％とする。製造性や特性のバランスを考慮すると、下限０．０５％、上限０．３％が望ましい。

Ｐ：０．００２〜０．０５％
Ｐは微細析出物の密度を増加させることで強度を向上させる。また、Ｎｉ、ＳｉならびにＺｒとＮｉ_２ＳｉあるいはＮｉ_２ＳｉＺｒなどに微量のＰを含有した化合物を形成することで硬さが増加する。これらの効果を得るために０．００２％以上含有させる。しかし、０．０５％超含有すると熱伝導率が大きく低下するので上限を０．０５％とする。同様の理由により、下限を０．０１％、上限を０．０４％とするのが望ましい。

Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ：合計で１．５％以下
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎは、所望により１種以上を含有させる。
ＣｒはＳｉと金属間化合物を形成し、強度を向上させたり、結晶粒を微細化したりする効果がある。Ｍｎは硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、加工割れ（熱間加工割れ）の原因である結晶粒界への硫化物の偏析を低減することで加工性（熱間加工性）を改善する。Ｚｎは固溶強化により強度を向上させる。また、溶解時に安価な黄銅スクラップを使用可能であれば製造コストを削減できる。しかし、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎを合計量で過剰に含有すると熱伝導率が低下するため、Ｃｒ、ＭｎおよびＺｎの合計量を１．５％以下とする。
望ましくは、合計量を１．０％以下とするのが望ましい。また、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種以上を含有させる場合、合計量で０．１％以上とするのが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、加工時や熱処理時に、材料に割れが生じにくく、高硬度、高強度、高熱伝導率の特性を有する高強度銅合金鍛造材を得ることができる。

本発明の高強度銅合金鍛造材は、常法によって製造することができる。
本発明に用いる銅合金は、常法により溶製することができ、真空雰囲気や不活性雰囲気、大気雰囲気などで材料を溶解し、鋳塊を得ることができる。雰囲気は真空雰囲気、不活性雰囲気が望ましいが例えば大気高周波炉で溶製することもできる。また、エレクトロスラグ再溶解炉などを用いた二次溶解を行ってもよい。連続鋳造法によって板材を得ることも可能である。

銅合金は必要に応じて加工が施される。加工の内容は本発明としては特に限定されるものではなく、プレス、ハンマー、圧延などの既知の鍛造方法を採用することができ、いかなる加工方法を用いても、本発明の特性を得ることが可能である。なお、加工は、製造性を考慮すると熱間加工が望ましく、さらには６００℃以上で行う熱間加工が望ましいが、室温での加工でも熱間加工と同様の特性を得ることが可能である。また、加工は熱間加工と冷間加工とを組み合わせたものであってもよい。また、加工としては鍛造、さらには熱間鍛造が望ましく、熱間鍛造も６００℃以上で行うのが一層望ましい。

加工された銅合金材では、加工後または加工途中に固溶化処理を行うことも可能である。固溶化処理の条件は、例えば８００〜１０００℃で１〜１０時間保持した後、Ｎｉ、Ｓｉを十分固溶させるために５００℃以上の温度域を５℃／秒以上の冷却速度で冷却するものが挙げられる。
加工された銅合金材は、固溶化処理後または加工ままで時効処理を行うことができる。時効処理の条件は、例えば、４００〜５００℃で１〜３０時間保持するものが挙げられる。
得られた高強度銅合金材は、０．２％耐力が６５０ＭＰａ以上、伸びが５％以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上の特性を有している。
なお、本発明は、鍛造材として優れた特性を有しているが、本発明の組成においては、加工が施されていない鋳造材においても良好な延性等の特性を得ることができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
表１の成分組成（その他不可避不純物を含む）になるように、原料を配合し真空誘導溶解炉で溶解して１００ｍｍ径×２００ｍｍ長の合金を作製した。この合金を、９００℃でハンマーにより熱間鍛造して２５ｍｍ厚の板材とし、９７０℃で４時間保持した後に水冷する固溶化処理を実施した。その後、４００〜５００℃で１〜３０時間の各成分の素材にに適する時効処理を施して供試材を得た。

作製した供試片に対して、下記に示す評価を行った
（引張試験）
各供試体にＪＩＳＺ２２０１、Ｚ２２４１に基づき常温引張試験を実施し、０．２％耐力（Ｙ．Ｓ）、引張強度（Ｔ．Ｓ）、伸び、絞りを評価した。測定結果を表２に示した。
（ヴィッカース硬さ）
各供試体に対し、ＪＩＳＺ２２４４に基づき、荷重５ｋｇでヴィッカース硬さを測定した。測定結果を表２に示した。
（熱伝導率）
各供試体について導電率を測定した。ヴィーデマン＝フランツ則に示されるように熱伝導率と導電率はほぼ比例関係にあり、導電率で熱伝導率を評価することができる。測定結果を表２に示した。

表２に示すように、本発明の実施例は６５０ＭＰａ以上の０．２％耐力、５％以上の伸び、３０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有していた。また比較例と同等あるいはそれ以上の硬さを有していた。
以上のように、本発明は、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ合金に適量のＺｒとＰを含有することにより、高導電率すなわち高熱伝導率を維持しつつ強度、延性、高度が高くなるという優れた性能が得られることが明らかにされた。

第３の本発明の高強度銅合金鍛造材は、第１又は第２の本発明において、０．２％耐力が６５０ＭＰａ以上、伸びが５％以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする。

Claims

質量％で、Ｎｉ：３〜７．２％、Ｓｉ：０．７〜１．８％、Ｚｒ：０．０２〜０．３５％、Ｐ：０．００２〜０．０５％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする高強度銅合金鍛造材。
質量％で、Ｎｉ：３〜７．２％、Ｓｉ：０．７〜１．８％、Ｚｒ：０．０２〜０．３５％、Ｐ：０．００２〜０．０５％を含有し、さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種または２種以上を合計で１．５％以下含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする高強度銅合金鍛造材。
０．２％耐力が６５０ＭＰａ以上、伸びが５％以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする高強度銅合金鍛造材。