JP2017218673A - 銅合金およびその使用法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電率が少なくとも１３％ＩＡＣＳの際に、鋳込み状態で少なくとも７００ＭＰａの引張強さ、かつ冷間加工を行なわない熱間加工状態で少なくとも８００ＭＰａの引張強さを有する、Ｂｅ及びＳｎを含まない銅合金の提供。
【解決手段】重量％で、Ａｌ：１０．６〜１８％、好ましくは、１２〜１６％、Ｎｉ：１０．５〜１４．５％、好ましくは、１１〜１３％、任意で更にＦｅ：２％まで、任意で更にＣｏ：１％まで、任意で更にＴｉ：０．５％まで、任意で更にＭｎ：０．５％まで、任意で更にＢ：０．１５％まで、任意で更にＣａ：０．１％まで、任意で更にＣ：０．１％までと、残部を銅並びに不可避な不純物、を有する銅合金であって、合金の組織内にＮｉＡｌ型ニッケルアルミナイドが析出物として堆積している銅合金。重量比でニッケル量に対するアルミニウム量の比（Ａｌ／Ｎｉ）が０．９５〜１．２８である、銅合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウムおよびニッケルを含有する銅合金、ならびに摺動部材、コネクタ、シール部材、工具、ばね部材またはフィルタ部材のためのその使用法に関する。

特定の元素を添加することにより、銅合金の特性を適切に調整することができる。その際、合金の強度が高くなると、通常、導電率は明らかに減少する。したがって、許容できる導電率と同時に高い強度に優れた銅合金に関心が向けられている。

特許文献１から、アルミニウム１０から１２重量％およびニッケル２から１０重量％、任意でさらに鉄１から６重量％を有する銅合金、ならびにそのような合金の熱処理方法が公知である。熱処理は、４２７から５６６℃の温度範囲で行なわれる。ニッケル４から５重量％および鉄４から５重量％を含む試料では、最大９４０ＭＰａの引張強さが測定された。これらの合金の導電率に関しては、特許文献１から何の情報も得られない。

さらに、特許文献２から、アルミニウム０．１から１１重量％、ニッケル０．１から１０重量％、鉄０．０１から６重量％、ホウ素０．００１から１．０重量％およびマンガン０．０１から１０重量％を有する耐食性銅合金が公知である。有利には、アルミニウム量が６から７重量％、ニッケル量が５から７重量％、鉄量が３から４重量％、およびマンガン量が５から１０重量％である。この合金に、任意でさらにコバルト０．０１から５重量％を添加してもよい。Ｎｉ６．５重量％、Ａｌ６重量％、Ｃｏ３重量％、Ｆｅ３重量％およびＭｎ０．２重量％を有する合金については、１５から２０％ＩＡＣＳの導電率が報告されている。コバルト不含の合金について、導電率に関する説明は記載されていない。

西独国特許出願公開第１５５８７７３号明細書 米国特許第３９０１６９２号明細書

本発明は、導電率が少なくとも１３％ＩＡＣＳの際に、鋳込み状態で少なくとも７００ＭＰａの引張強さ、かつ冷間加工を行なわない熱間加工状態で少なくとも８００ＭＰａの引張強さを有する、ＢｅおよびＳｎを含まない銅合金を提供するという課題に基づく。さらに、前記合金は、十分な延性を有し、５００℃までは耐焼き戻し性があり、かつ通常の方法で切削可能である。その上、本発明は、これらの銅合金が適している使用法を提供するという課題に基づく。

本発明は、銅合金に関しては請求項１に記載の特徴により、および使用法に関しては請求項５〜１０に記載の特徴により示されている。その他の従属請求項は、発明の好適な形態および発展形態に関する。

本発明は、重量％で以下の組成：
Ａｌ １０．６から１８．０％、
Ｎｉ １０．５から１４．５％、
任意でさらにＦｅ ２％まで、
任意でさらにＣｏ １％まで、
任意でさらにＴｉ ０．５％まで、
任意でさらにＭｎ ０．５％まで、
任意でさらにＢ ０．１５％まで、
任意でさらにＣａ ０．１％まで、
任意でさらにＣ ０．１％まで、
残部銅ならびに不可避な不純物、
を有する銅合金であって、前記合金の組織内にＮｉＡｌ型ニッケルアルミナイドが析出物として堆積している銅合金を包含する。

本発明は、アルミニウムとニッケルを添加することにより高い強度、許容できる延性と同時に良好な導電率を有する耐熱性の高い軽量な銅合金を生成することができる、という考察から始まっている。１０．６から１８重量％のＡｌ量および１０．５から１４．５％のＮｉ量を有する銅合金では、鋳込み状態での引張強さは少なくとも７００ＭＰａである。６１０から６９０℃の温度範囲で少なくとも２０％の加工率で熱間加工することにより、引張強さは少なくとも８００ＭＰａまで高めることができる。ここでは、断面積の相対的な減少のことを加工率として定義する。このような材料の硬度は少なくとも２８０ＨＶである。本発明による銅合金では、冷間加工を行なわずに高い強度を得ることができる。したがって、寸法が大きくても強度の高い状態で製造することができる。導電率は、鋳込み状態で約１２％ＩＡＣＳであり、鍛錬用合金では、つまり熱間加工後では、少なくとも１３％ＩＡＣＳである。本発明による銅合金の強度は、上記の熱間加工の後に前記合金を３００から６００℃の温度で時効処理すれば、さらに高めることができる。有利には、時効処理は３００から４００℃の温度範囲で、少なくとも３０分かつ多くとも７時間の時効期間で行なわれる。本発明による銅合金の密度は、正確な組成に応じて６５００から７０００ｋｇ／ｍ^３である。前記合金は、非常に耐老化性であり、通常は従来の工具で切削可能である。

Ａｌ量が１０．６重量％より少ない場合、引張強さは、熱間加工状態で８００ＭＰａより小さく、鋳込み状態では明らかに７００ＭＰａより小さい。有利には、Ａｌ量は少なくとも１１重量％である。Ａｌ量が１８重量％より多い場合、導電率は１３％ＩＡＣＳよりも小さい。

Ｎｉ量が１０．５重量％より少ない場合、引張強さは、熱間加工状態で明らかに８００ＭＰａより小さく、鋳込み状態では明らかに７００ＭＰａより小さい。有利には、Ｎｉ量は少なくとも１１重量％である。Ｎｉ量が大きいことにより、前記合金は、空気に対してならびに海水中で優れた耐食性を有する。Ｎｉ量が増加すると、前記合金は脆くなり、また高価になる。したがって、Ｎｉ量は１４．５重量％を超えてはならない。

本発明による銅合金では、特に高い体積分率でニッケルアルミナイドが形成されるが、これは、それ以外に銅固溶体と硬質γ_２相（Ａｌ_４Ｃｕ_９）からなっている組織内に析出物として堆積している。これらのニッケルアルミナイドの体積分率は、５０体積％以上であってよい。析出物は、ＮｉＡｌの化学量論的組成を有する耐熱性の高い秩序相として形成される。析出量が高いことにより特に高い耐熱性が得られる。なぜならば、転位が析出物を迂回しなくてはならないからである。析出量が高いと、さらに室温での耐摩耗性と強度が高くなる。

本発明による銅合金では、必要な場合、以下の元素の少なくとも１つを添加することにより、粒径の小さい組織に調整することができる：
任意でさらにＦｅ ２重量％まで、
任意でさらにＣｏ １重量％まで、
任意でさらにＴｉ ０．５重量％まで、
任意でさらにＭｎ ０．５重量％まで、
任意でさらにＢ ０．１５重量％まで、
任意でさらにＣａ ０．１重量％まで、
任意でさらにＣ ０．１重量％まで。

これらの元素の１つ以上を添加することにより、鋳込み状態での粗粒形成が阻止される。細粒化の効果は、特定の下限値より大きい場合に初めて顕著に現れ、この下限値はそれぞれの元素ごとに異なっていてよい。前記の元素の１つが、この閾値より少ない量で前記合金中に存在する限り、これは不純物として考えるべきである。原則的には、しかし、本発明による銅−アルミニウム−ニッケル合金が先に挙げた元素のいずれも有していないことも可能である。

有利には、本発明による銅合金では、アルミニウム量とニッケル量の合計が少なくとも２２．１重量％、特に有利には少なくとも２４重量％であってよい。これらの限界値より多い場合は、十分多いニッケルアルミナイドが形成されるので、前記合金の特性が顕著である。

有利には、本発明による銅合金では、アルミニウム量とニッケル量の合計が多くとも２９重量％、特に有利には多くとも２７重量％であってよい。これらの限界値より少ない場合は、例えば脆化のような望ましくない合金元素の副作用は、取るに足らない程度にしか現れない。

本発明の有利な実施様態では、本発明による銅合金では、アルミニウムの量は少なくとも１２重量％かつ多くとも１６重量％であってよい。この範囲のアルミニウム量により、強度、耐摩耗性および導電率の特に有利な関係が達成できる。

好適には、本発明による銅合金では、ニッケルの量は少なくとも１１重量％かつ多くとも１３重量％であってよい。この範囲のニッケル量により、強度、延性および導電率の特に有利な関係が達成できる。

本発明による銅合金の特に好適な実施様態では、アルミニウムの量は少なくとも１２重量％、特に有利には少なくとも１３重量％、かつ多くとも１６重量％であり、ニッケルの量は少なくとも１１重量％かつ多くとも１３重量％であってよい。この組成の鍛錬用銅合金では、冷間加工を行なわずに、少なくとも１５％ＩＡＣＳの導電率で１０００ＭＰａを超す引張強さを得ることができる。その上、この組成の合金は特に耐熱性がある。引張強さの著しい低下は、６００℃で６時間の熱処理後に初めて観察される。ここで、著しい低下とは、１０％を超える低下を意味する。

さらに、本発明による銅合金では、ニッケル量（重量％）に対するアルミニウム量（重量％）の比が少なくとも０．９５かつ多くとも１．２８であることを好適としてよい。アルミニウム量とニッケル量が相互にこの関係にあるならば、好適なニッケルアルミナイドの形成に特に有利な条件が与えられている。化学量論的に過剰に存在するアルミニウムは、合金の母体中に組み込まれるか、あるいは耐摩耗性ではあるが脆いＡｌ_４Ｃｕ_９相を形成する。

本発明の別の側面は、滑り軸受のための、本発明による銅合金の使用法を包含する。ＮｉＡｌ析出物の体積分率が高いことに基づき、本発明による銅合金は高い耐熱性および大きい耐摩耗性を有する。これらの特性は、滑り軸受に好適である。本発明による銅合金からなる滑り軸受は、過負荷下でも、乾燥運転の際でも、あるいは２００℃を超える温度でも、損傷することなく作動することができる。

本発明の別の側面は、コネクタのための、本発明による銅合金の使用法を包含する。コネクタに使用するために、材料は、強度、導電性および耐応力緩和特性の特別な組み合わせを有していなくてはならない。本発明による銅合金の強度は、銅材料として極めて高い水準にある。本発明による銅合金の導電率は、最小値が１３％ＩＡＣＳで、コネクタに十分な水準である。本発明による銅合金の高い耐熱性と高い軟化温度により、良好な耐応力緩和特性が生じる。

本発明の別の側面は、シール部材のための、本発明による銅合金の使用法を包含する。これについての例として、シリンダヘッドガスケットおよびコンタクトリングがある。シール部材は、耐摩耗性で、高温でも耐酸化性かつ耐クリープ性でなくてはならない。本発明による銅合金は、その組成およびその特性に基づいて、これらの条件を見事に満たしている。

本発明の別の側面は、工具のための、本発明による銅合金の使用法を包含する。工具は、高い硬度と、高温時でも高い耐摩耗性を有していなくてはならない。したがって、本発明による銅合金は、工具用の材料として特に良く適している。本発明による銅合金の別の使用法は、ボーリングロッドである。

本発明の別の側面は、ばね部材のための、本発明による銅合金の使用法を包含する。ばねは、高い弾力性を有し、耐緩和特性を有していなくてはならない。弾力性とは、大きな弾性変形後に初期状態に戻る材料の能力のことである。弾力性が高い材料は、多くのエネルギーを弾性形状に蓄積し、再び放出することができる。本発明による銅合金は、引張荷重下で高い降伏点を、もしくは圧力荷重下で高い圧縮降伏点を有する。塑性変形は、これらの限界値までは生じない。したがって、本発明による銅合金からなるばね部材は、多くのエネルギーを弾性的に蓄積することができる。６５００から７０００ｋｇ／ｍ^３という低い密度により、比較的軽量なばね部材の構造が可能になる。

本発明の別の側面は、フィルタ部材、特に抗菌性フィルタ部材のための、本発明による銅合金の使用法を包含する。抗菌性フィルタは、細菌および大部分のウイルスを機械的に遮断すると同時に、液体または空気の流れを保証しなくてはならない。このためには、通過幅が２０から５０ｎｍの導管が必要である。このような導管を有する構造は、鋳込み状態の本発明による銅合金をエッチング処理することにより得ることができる。エッチング処理により、組織から銅固溶体が除去され、ＮｉＡｌ析出物が層状に残る。隣接する層間では、銅固溶体の除去により通過幅が約２０から５０ｎｍの導管が形成される。このような構造は、細菌種全部および公知の全ウイルスの約８０％に対する効果的な機械的バリアになる。

本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

表１は、合金試料Ｎｏ．１から８の一覧を示している。それぞれに試料について、重量％で示した合金組成、硬度、導電率および引張強さが記載されている。鋳込み状態でのみ存在するＮｏ．６の試料を除いて、前記試料は、６００から８００℃の温度範囲で２０％の加工率で熱間加工した直後の状態である。試料Ｎｏ．１から６は、比較用試料であり、試料Ｎｏ．７および８は、本発明による組成を有している。

試料Ｎｏ．１から４は、比較的少ない量のアルミニウムおよび／またはニッケルを有している。これらの試料の引張強さは、アルミニウムおよびニッケルの量が増加するとともに大きくなるが、明らかに７５０ＭＰａより小さい。試料Ｎｏ．２から４の導電率は同じ水準にある。試料Ｎｏ．５は、試料Ｎｏ．２から４に比べて高い引張強さと硬度を有しているが、その導電率は減少している。試料Ｎｏ．６では、１７．９重量％という非常に高いニッケル量が選択された。硬度は、試料Ｎｏ．３および４の値とほぼ同じであるが、導電率は８％ＩＡＣＳという低い水準にある。

本発明による試料Ｎｏ．７および８は、予想外に良好な特性に優れている。試料Ｎｏ．７を試料Ｎｏ．５と比較すると、アルミニウムおよび特にニッケルの量の増加により、強度が再び上昇し、驚くべきことに導電率も高くなったことが確認できる。試料Ｎｏ．７での導電率の上昇は、試料Ｎｏ．１から６の特性からは予想できない。最良の結果は、試料Ｎｏ．８で達成された。アルミニウム約１４重量％およびニッケル約１２重量％で、熱間圧延した状態で約１０００ＭＰａの引張強さを得ることができた。導電率は、ほぼ１５％ＩＡＣＳで、調査した全ての試料の最高値である。試料Ｎｏ．８の導電率は、３３０℃で３時間の焼なまし処理により、さらに約１６％ＩＡＣＳまで高めることができた。

試料Ｎｏ．８は、合計で２６重量％の合金元素ＡｌおよびＮｉを有している。試料Ｎｏ．６は、合計で約２７重量％の合金元素ＡｌおよびＮｉを有している。したがって、両試料は、合計でおよそ同じ重量分率の合金元素を有している、しかし、試料Ｎｏ．８の特性は、試料Ｎｏ．６のものより明らかに良好である。これは、合金元素ＡｌおよびＮｉを相互に特定の関係で選択しなくてはならない、ということを示している。試料Ｎｏ．８では、ＡｌとＮｉの重量分率の比は約１．１５である。Ｎｉに対するＡｌの比が少なくとも０．９５かつ多くとも１．２８である場合に、有利な特性を有する合金が得られる。

Claims (10)

1. 重量％で以下の組成：
   Ａｌ １０．６から１８％、
   Ｎｉ １０．５から１４．５％、
   任意でさらにＦｅ ２％まで、
   任意でさらにＣｏ １％まで、
   任意でさらにＴｉ ０．５％まで、
   任意でさらにＭｎ ０．５％まで、
   任意でさらにＢ ０．１５％まで、
   任意でさらにＣａ ０．１％まで、
   任意でさらにＣ ０．１％まで、
   残部銅ならびに不可避な不純物、
   を有する銅合金において
   前記合金の組織内にＮｉＡｌ型ニッケルアルミナイドが析出物として堆積していることを特徴とする、銅合金。
2. アルミニウムの量が、少なくとも１２重量％かつ多くとも１６重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の銅合金。
3. ニッケルの量が、少なくとも１１重量％かつ多くとも１３重量％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の銅合金。
4. 重量％のニッケル量に対する重量％のアルミニウム量の比が、少なくとも０．９５かつ多くとも１．２８であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の銅合金。
5. 摺動部材のための、請求項１から４までのいずれか１項に記載の銅合金の使用法。
6. コネクタのための、請求項１から５までのいずれか１項に記載の銅合金の使用法。
7. シール部材のための、請求項１から６までのいずれか１項に記載の銅合金の使用法。
8. 工具のための、請求項１から７までのいずれか１項に記載の銅合金の使用法。
9. ばね部材のための、請求項１から８までのいずれか１項に記載の銅合金の使用法。
10. フィルタ部材のための、請求項１から９までのいずれか１項に記載の銅合金の使用法。