JP2020059918A

JP2020059918A - 時効硬化型銅合金

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Publication number: JP2020059918A
Application number: JP2019183113A
Authority: JP
Inventors: 真人新井; Masato Arai; 勇多新井; Yuta Arai; 睦己石島; Mutsumi Ishijima; 逸夫江口; Itsuo Eguchi; 義仁小笠原; Yoshihito Ogasawara; 慎太朗藤井; Shintaro Fujii; 源次郎萩野; Genjiro Hagino
Original assignee: MIYOSHI GOKIN KOGYO KK
Current assignee: MIYOSHI GOKIN KOGYO KK
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2038-10-11
Also published as: JP7215735B2

Abstract

【課題】機械強度及び導電性に優れた時効硬化型銅合金の提供。【解決手段】質量％で、Ｃｏ：１．０％〜３．５％、Ｃｒ：０．２％〜１．３％で含み、元素Ｍの含有量を［Ｍ］質量％とするとき、［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＝５．０〜９．０となるようにＮｉを含有するとともに、（［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］）／［Ｓｉ］＝３．３〜４．４となるようにＳｉを含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物とする合金組成を有し、熱処理されて（Ｎｉ，Ｃｏ）−Ｓｉからなる金属間化合物粒子を分散させて２０ＨＲＣ以上の硬さ且つ２５．０％ＩＡＣＳ以上の導電率に調製されて用いられ得る時効硬化型銅合金である。導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とすることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、熱処理によりＳｉ系の金属間化合物粒子を分散させて用いられる時効硬化型のコルソン系銅合金に関し、特に、（Ｎｉ，Ｃｏ）−Ｓｉ系の金属間化合物粒子を分散させて用いられる時効硬化型銅合金に関する。

コルソン系銅合金は、コネクタやスイッチといった電気部品の摺動接点に用いられ、導電性及び機械強度を兼ね備えた銅合金として知られている。基本成分組成は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉであり、Ｎｉ_２Ｓｉのような金属間化合物を熱処理によって析出させて機械強度の向上を図られ得る。一方、導電性を高める観点から、更に、Ｃｏを添加したＣｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ系の銅合金が提案されている。

例えば、特許文献１では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ系銅合金において、曲げ加工性を向上させるため、冷間圧延と熱処理とを制御し、所定の内部組織を与えた合金を開示している。ここでは、成分組成として、０．５〜３．０質量％のＣｏ及び０．１〜１．０質量％のＮｉを含有し、Ｎｉに対するＣｏの質量比（Ｎｉ／Ｃｏ）を０．１〜１．０、（Ｃｏ＋Ｎｉ）／Ｓｉ（質量比）を３〜５とした銅合金であるとしている。

また、特許文献２でも、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ系銅合金において、０．１〜１．０質量％のＮｉ、０．５〜３．０質量％のＣｏ及び０．１〜１．５質量％のＳｉを含有し、（Ｃｏ＋Ｎｉ）／Ｓｉ（質量比）を３〜５、時効処理後に冷間圧延し、機械強度、導電率、曲げ加工性、ばね限界値を高めた合金を開示している。ここで、Ｎｉの含有量が１．０質量％を超える場合や、Ｃｏの含有量が３．０質量％を超える場合は、高い機械強度を得られるものの、粗大なＮｉ−Ｓｉ系粒子やＣｏ−Ｓｉ系粒子を生成して、導電率や曲げ加工性を低下させてしまうことを述べている。さらに、（Ｎｉ＋Ｃｏ）／Ｓｉが５を超えると、ＮｉやＣｏが過剰となって、導電率を低下させてしまうことも述べている。

ところで、銅合金においてＣrを添加することで機械強度の向上を図ることができるとともに、導電率を確保できることが知られている。

例えば、特許文献３では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ系銅合金において、Ｃｒを添加した合金が開示されている。ここでは、Ｃｏ及びＮｉのＳｉ系化合物に加えて、Ｃｒ−Ｓｉ系化合物も析出させることで機械強度を高めるとしている。このような析出硬化型銅合金とすることで、固溶強化型銅合金に比べて母相中の固溶元素を減少させて導電率を向上させ得るとしている。このとき、Ｃｏ及びＮｉとの化合物を形成させてさらに余剰のあるようにＳｉを添加することでＣｒ−Ｓｉ系化合物を得ることも述べている。

特開２０１７−２１０６７４号公報特開２０１７−１７９３９２号公報特開２００９−２４２９２１号公報

このようなＣｒを添加したＣｕ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金においても、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒの含有量を増加させることで機械強度を高め得るが、その量が過剰となると導電率を低下させてしまう。また、造塊時に粒界に粗大な金属間化合物の析出物が形成されやすく、これは一般的な溶体化熱処理では完全に固溶させることが難しく、割れなどの原因となり得る。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、機械強度及び導電性に優れた時効硬化型銅合金及びその製造方法を提供することにある。

本願発明者は、Ｎｉ量に対してＣｏ量を多くすることで、造塊時における粗大な粒界析出物を抑制できる傾向にあること、Ｃｒを多くしてこれを最終製品の固溶強化に用いても導電率を低下させることなく機械強度を向上できる傾向にあることを見いだし、一方で、機械強度を上げる観点から、かかる粒界析出物を固溶させるべく、溶体化処理温度をより高くすることを考慮した。

すなわち、本発明による時効硬化型銅合金は、質量％で、Ｃｏ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：０．２％〜１．３％で含み、元素Ｍの含有量を［Ｍ］質量％とするとき、［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＝５．０〜９．０となるようにＮｉを含有するとともに、（［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］）／［Ｓｉ］＝３．３〜４．４となるようにＳｉを含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物とする合金組成を有し、熱処理されて（Ｎｉ，Ｃｏ）−Ｓｉからなる金属間化合物粒子を分散させて２０ＨＲＣ以上の硬さ且つ２５．０％ＩＡＣＳ以上の導電率に調製されて用いられ得る時効硬化型銅合金であって、導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とすることを特徴とする。

かかる発明によれば、Ｃｒの含有量及びＮｉ、Ｃｏの含有量をそれぞれ多くしても、造塊時における粗大な粒界析出物を抑制でき、さらに溶体化処理温度をより高くし得て粒界析出物などの固溶を促進させて、溶体化熱処理後の導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とし得る。このような溶体化熱処理後の時効硬化型銅合金であれば、金属間化合物粒子を分散させる時効処理によって機械強度及び導電性に優れる銅合金とすることができる。

上記した発明において、切断面において１μｍ以上の粒界金属間化合物が１個／ｃｍ^２未満であることを特徴としてもよい。さらに、前記切断面において５５ＨＲＢ以上の硬さであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、粗大な粒界析出物の量をより確実に抑制でき、時効処理をした後において機械強度及び導電性に優れる銅合金を容易に得ることができる。

上記した発明において、前記成分組成は、更にＡｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｇ、Ｂ、Ｓ、Ｎｂ及びＺｎからなる群から選ばれる少なくとも１種を、総計１．０質量％以下で含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、上記した優れた機械強度と導電性とを維持しつつさらなる合金特性の改善を得られる。

また、本発明による時効硬化型銅合金の製造方法は、質量％で、Ｃｏ：１．０％〜３．５％、Ｃｒ：０．２％〜１．３％で含み、元素Ｍの含有量を［Ｍ］質量％とするとき、［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＝５．０〜９．０となるようにＮｉを含有するとともに、（［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］）／［Ｓｉ］＝３．３〜４．４となるようにＳｉを含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物とする合金組成を有し、熱処理されて（Ｎｉ，Ｃｏ）−Ｓｉからなる金属間化合物粒子を分散させて２０ＨＲＣ以上の硬さ且つ２５．０％ＩＡＣＳ以上の導電率に調製されて用いられ得る時効硬化型銅合金の製造方法であって、導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とするような９２０℃以上の温度での溶体化熱処理を含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、Ｃｒの含有量及びＮｉ、Ｃｏの含有量をそれぞれ多くした上で、造塊時における粗大な粒界析出物を抑制でき、さらに溶体化処理温度を９２０℃と高くし得て粒界析出物などの固溶を促進させて、溶体化熱処理後の導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とし得る。このような溶体化熱処理後の時効硬化型銅合金であれば、金属間化合物粒子を分散させる時効処理によって機械強度及び導電性に優れる銅合金とすることができる。

上記した発明において、前記溶体化熱処理は、切断面において、１μｍ以上の粒界金属間化合物を１個／ｃｍ^２未満とする熱処理であることを特徴としてもよい。さらに、前記切断面において、５５ＨＲＢ以上の硬さであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、粗大な粒界析出物の量をより確実に抑制でき、時効処理をした後において機械強度及び導電性に優れる銅合金を容易に得ることができる。

本発明による実施例及び比較例の成分組成を示す表である。実施例及び比較例の導電率及び硬さの測定結果を示す表である。実施例１及び比較例１の鋳造後の断面組織写真である。実施例１及び比較例１の溶体化熱処理後の断面組織写真である。実施例１及び比較例１の時効処理後の断面組織写真である

以下に、本発明による時効硬化型銅合金の１つの実施例について、図１を用いて説明する。

図１の実施例１及び２に、本実施例における時効硬化型銅合金の代表的な成分組成を示すように、本実施例における時効硬化型銅合金は、質量％で、Ｃｏを１．０％以上３．５％以下、Ｃｒを０．２％以上１．３％以下で含み、さらに、元素Ｍの含有量を［Ｍ］質量％とするとき、［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］を５．０〜９．０とするようにＮｉを含むとともに、（［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］）／［Ｓｉ］を３．３〜４．４とするようにＳｉを含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物とする合金組成を有する。

すなわち、ＣｏはＮｉとともにＳｉに対する含有量を規定されて、時効処理によって分散析出させるべき金属間化合物であるＮｉ_２ＳｉやＣｏ_２Ｓｉなどを生成する元素の含有量の比率を調整して、時効処理後の機械強度と導電率とを共に高くするようになされる。このように、時効処理で析出させるＳｉとの金属間化合物を形成するＮｉ及びＣｏの含有量を調整することで、溶体化熱処理により金属間化合物の固溶状態を比較的容易に制御できる。他方、時効処理時において、ＳｉをＮｉやＣｏとの金属間化合物の生成で消費することで、ＣｒのＳｉ化合物の生成を抑制して時効処理後のＣｒの母相への固溶を維持させる。

また、造塊時に生成された金属間化合物による粗大な粒界析出物を溶体化熱処理によって十分に固溶させると導電率は低下する。そこで、鋳造で生成された粗大な粒界析出物が十分に固溶されたことの指標として、固溶熱処理後の導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とする。換言すれば、上記した成分組成の銅合金によって得た合金塊の溶体化熱処理後の導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とできれば、粗大な粒界析出物は十分に固溶されており、その後に時効処理することでＣｏやＮｉの金属間化合物による微細な分散析出物を得るとともに、Ｃｒの固溶を維持して、機械強度及び導電性の双方において優れる銅合金とし得るのである。

以上のような、時効硬化型銅合金であれば、ＮｉやＣｏの含有量を多くしたにも関わらず溶体化熱処理後に粗大な粒界析出物を十分固溶させることができる。そして、その後に時効処理することによって、機械強度及び導電性に優れる銅合金を得ることができる。

次に、上記した時効硬化型銅合金を試作した結果について説明する。

図１の実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のそれぞれに示す成分組成の銅合金を鋳造し、９２０℃で１時間保持後し水冷する溶体化熱処理をして、４７０℃で２．７５時間保持し炉冷する時効処理をした。造塊後（鋳造後）、溶体化熱処理後（溶体化後）、時効処理後（時効後）のそれぞれにおいて組織観察、硬さ測定、導電率の測定を行った。なお、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の順に、Ｃｏの含有量が多くなり、逆にＮｉの含有量が少なくなっている。

図２に硬さと導電率の測定結果を示した。なお、硬さはＨＲＢで測定したが、実施例１及び実施例２の時効処理後の硬さについてはＨＲＣで測定した。時効処理後の硬さについてＨＲＢ又はＨＲＣのうち、測定していない単位については換算値を括弧書きで示した。

硬さについては、いずれの実施例、比較例でも、鋳造後から溶体化熱処理後にかけて同等か又はやや低くなるが、時効処理後に高くなっていることが判る。しかし、比較例１及び２は実施例１及び２に比べて硬さの値が小さい。時効処理後の硬さの値は、最小の比較例２から、比較例１、実施例２、実施例１の順に大きくなっており、これはＣｏの含有量の少なくなる順に沿っている。つまり、Ｃｏの含有は、導電率の向上に有効であるが、Ｎｉに対する含有量を多くし過ぎると硬さを低下させてしまうと言える。

導電率については、いずれの実施例、比較例でも、鋳造後から溶体化熱処理後にかけて低くなっており、その後時効処理によって鋳造後よりも高くなっていることが判る。さらに詳細には、比較例１や比較例２に比べて、実施例１や実施例２のように溶体化熱処理後の導電率をより低くするほうが、時効処理後（時効後）の導電率を高くしている。つまり、ＮｉやＣｏを多く含有することで鋳造後に金属間化合物の粗大な粒界析出物を生成してしまうが、溶体化熱処理によってこれを十分固溶できると溶体化熱処理後の導電率をより低くでき、十分に固溶された金属間化合物を時効処理によって微細に析出させることで導電率をより高くできるのである。

図３において、実施例１及び比較例１の鋳造後の断面組織写真を例示する。同図に示すように、鋳造後においては、いずれの実施例及び比較例においても粗大な析出物が観察される。

図４に示すように、固溶化熱処理後において、実施例１では粗大な粒界析出物がほとんど消失しているのに対し、比較例１では粗大な粒界析出物が残存している。図示を省略した実施例２でも粗大な粒界析出物はほとんど消失しており、比較例２では粗大な粒界析出物が残存していた。

さらに、図５に示すように、時効処理後において、実施例１では微細な析出物が分散して析出したのに対し、比較例１においては微細な析出物は観察されるものの、その分布に偏りがある。図示を省略した実施例２でも析出物は分散して析出し、比較例２では析出物の分布に偏りがあった。

以上のように、本実施例及び比較程のうち、実施例１及び実施例２において、時効処理によって（Ｎｉ，Ｃｏ）−Ｓｉからなる金属間化合物粒子を分散させて２０ＨＲＣ以上の硬さ且つ２５．０％ＩＡＣＳ以上の導電率に調製できた。すなわち、機械強度及び導電性に優れる銅合金を得ることができた。

なお、実施例１、２、及び、比較例１、２、その他いくつかの製造例より、Ｎｉの含有量に対して融点の高いＣｏの含有量を多くすることで、造塊時における粗大な粒界析出物を抑制できる傾向にあることが判った。他方、Ｎｉに対してＣｏの含有量が多いと、溶体化熱処理によって粗大な粒界析出物を十分に固溶できない傾向にあることが判った。このような観点から、上記した機械強度及び導電性に優れる銅合金を得るために、Ｃｏ及びＮｉの含有量は、それぞれ３．５％以下及び３．０％以上とする。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

Claims

質量％で、
Ｃｏ：１．０％〜３．５％、
Ｃｒ：０．２％〜１．３％で含み、
元素Ｍの含有量を［Ｍ］質量％とするとき、
［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］＝５．０〜９．０となるようにＮｉを含有するとともに、
（［Ｎｉ］＋［Ｃｏ］）／［Ｓｉ］＝３．３〜４．４となるようにＳｉを含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物とする合金組成を有し、（Ｎｉ，Ｃｏ）−Ｓｉからなる金属間化合物粒子を分散させるように時効熱処理して２０ＨＲＣ以上の硬さ且つ２５．０％ＩＡＣＳ以上の導電率に調製されて用いられ得る時効硬化型銅合金であって、
導電率を１５．０％ＩＡＣＳ以下とするとともに切断面の硬さを５５ＨＲＢ以上とすることを特徴とする時効硬化型銅合金。
前記切断面において１μｍ以上の粒界金属間化合物が１個／ｃｍ^２未満であることを特徴とする請求項１記載の時効硬化型銅合金。
前記成分組成は、更にＡｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｇ、Ｂ、Ｓ、Ｎｂ及びＺｎからなる群から選ばれる少なくとも１種を、総計１．０質量％以下で含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の時効硬化型銅合金。