JP2021143376A - レーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法 - Google Patents
レーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021143376A JP2021143376A JP2020042181A JP2020042181A JP2021143376A JP 2021143376 A JP2021143376 A JP 2021143376A JP 2020042181 A JP2020042181 A JP 2020042181A JP 2020042181 A JP2020042181 A JP 2020042181A JP 2021143376 A JP2021143376 A JP 2021143376A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- copper alloy
- absorption rate
- laser light
- mass
- light absorption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 104
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 63
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 16
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 25
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 14
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 7
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 5
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 229910017985 Cu—Zr Inorganic materials 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- -1 One or more of Ba Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000796 S alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010985 leather Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007528 sand casting Methods 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
【課題】本発明は、レーザー加工などの用途として望ましいレーザー光吸収率に優れる銅合金とその製造方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明のレーザー光吸収率に優れる銅合金粉末は、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金中に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有していることを特徴とする。【選択図】図２
Description
本発明は、レーザーを用いたプロセスに好適なレーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法に関する。
近年、ファイバーレーザーの普及および高性能化により、ファイバーレーザーを用いた溶接や切断などの加工プロセスの技術開発がなされている。
銅及び銅合金は、高熱伝導性によるエネルギー拡散が大きいこと、ファイバーレーザーで用いられる、近赤外波長域でのレーザー光の吸収率の低さに起因し、レーザーを用いた溶融が困難、もしくは低効率となってしまう問題があった。
銅及び銅合金は、高熱伝導性によるエネルギー拡散が大きいこと、ファイバーレーザーで用いられる、近赤外波長域でのレーザー光の吸収率の低さに起因し、レーザーを用いた溶融が困難、もしくは低効率となってしまう問題があった。
そのため、例えば、以下の特許文献１に記載のように、表面酸化被膜やめっきを用いたレーザー光吸収率の向上手法が既知の技術として知られている。
しかしながら、先の特許文献１に記載されている技術によると、酸化皮膜の形成により造形物中の酸素量が増加し、それに伴い熱伝導率が低下する問題がある。
また、めっき処理によるレーザー吸収率では、溶融時のめっき成分との合金化によって、母材の銅の熱伝導率等の特性が低下する問題がある。
また、めっき処理によるレーザー吸収率では、溶融時のめっき成分との合金化によって、母材の銅の熱伝導率等の特性が低下する問題がある。
本発明は前記の問題に鑑み創案されたものであり、その目的は、レーザー加工に好適であり、レーザー光の吸収率を向上させた銅合金とその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するためには、ファイバーレーザーの中心波長である１０６４ｎｍに対応する１．２ｅＶ程度のバンドギャップを有する金属間化合物を表面に析出させることが有用と考えられる。
そこで本発明者は種々の検討の結果、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物を銅合金表面に分散させるならば、レーザー光の吸収率の高い銅合金を提供できることを見出した。
（１）本発明に係る一形態のレーザー光吸収率に優れる銅合金は、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金中に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有していることを特徴とする。
Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓ、Ｃｕ５Ｚｒで示される金属間化合物は、純銅単体のバンドギャップに対して小さい、１．２ｅＶ程度のバンドギャップを有すると考えられる。このため、これらの金属間化合物を銅合金表面に分散させるならば、レーザー光の吸収率の高い銅合金を提供でき、レーザー加工用に好適な銅合金を提供できる。
（１）本発明に係る一形態のレーザー光吸収率に優れる銅合金は、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金中に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有していることを特徴とする。
Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓ、Ｃｕ５Ｚｒで示される金属間化合物は、純銅単体のバンドギャップに対して小さい、１．２ｅＶ程度のバンドギャップを有すると考えられる。このため、これらの金属間化合物を銅合金表面に分散させるならば、レーザー光の吸収率の高い銅合金を提供でき、レーザー加工用に好適な銅合金を提供できる。
（２）本発明に係る一形態のレーザー光吸収率に優れる銅合金は、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有していることが好ましい。
（３）本発明の一形態に係るレーザー光吸収率に優れる銅合金の製造方法は、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が表面に複数分散されているレーザー光の吸収率に優れた銅合金の製造方法であり、ＳもしくはＺｒを含む銅合金の溶湯を凝固させて得られたインゴットや箔に対し、３００℃以上６００℃以下の条件で熱処理することを特徴とする。
（４）本発明に係る一形態のレーザー光吸収率に優れる銅合金の製造方法は、前記銅合金がＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有していることが好ましい。
本発明の一形態に係る銅合金によれば、ファイバーレーザーの中心波長である１０６４ｎｍでのレーザー光の吸収率に優れるため、ファイバーレーザーを用いた溶融が可能となり、レーザー加工向けの銅合金として好適に用いることができる。
また、本発明の一形態に係る銅合金は、表面の酸化被膜やめっきが不要のため、酸化被膜やめっきを必要としていた従来の銅合金に比べ、酸素などの不純物の影響を最小限に抑えることができる。このため、本発明の一形態に係る銅合金を用いることで、加工後の銅合金中の酸素量を増やすことがなく、熱伝導率低下を引き起こすことのない銅合金部材を製造することが可能となる。
また、本発明の一形態に係る銅合金は、表面の酸化被膜やめっきが不要のため、酸化被膜やめっきを必要としていた従来の銅合金に比べ、酸素などの不純物の影響を最小限に抑えることができる。このため、本発明の一形態に係る銅合金を用いることで、加工後の銅合金中の酸素量を増やすことがなく、熱伝導率低下を引き起こすことのない銅合金部材を製造することが可能となる。
以下に本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
本実施形態に係る銅合金の組成は特に制限されるものではないが、ＳとＺｒの１種または２種を０.０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金を主として用いることができる。また、本実施形態の銅合金は、金属組織中にＣｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒの組成式で示される金属間化合物を複数含んでいる必要がある。また、前記銅合金は以下に説明するガス成分を除く不可避不純物元素を含んでいても良い。
ＳまたはＺｒの含有量が０.０１質量％未満の場合、目的とする金属間化合物の析出量が少なくなるか金属間化合物の析出が見られなくなり、１０６４ｎｍ帯域の光吸収率が向上しない。ＳまたはＺｒの含有量が１.０質量％を超える場合、光吸収率の向上があまり見られない一方で、コスト増加の一因となるため、産業利用上好ましくない。
本実施形態に係る銅合金の組成は特に制限されるものではないが、ＳとＺｒの１種または２種を０.０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金を主として用いることができる。また、本実施形態の銅合金は、金属組織中にＣｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒの組成式で示される金属間化合物を複数含んでいる必要がある。また、前記銅合金は以下に説明するガス成分を除く不可避不純物元素を含んでいても良い。
ＳまたはＺｒの含有量が０.０１質量％未満の場合、目的とする金属間化合物の析出量が少なくなるか金属間化合物の析出が見られなくなり、１０６４ｎｍ帯域の光吸収率が向上しない。ＳまたはＺｒの含有量が１.０質量％を超える場合、光吸収率の向上があまり見られない一方で、コスト増加の一因となるため、産業利用上好ましくない。
（不可避不純物元素）
不可避不純物については、その濃度を低くすることで電気伝導率や熱伝導率の特性が向上することになる。一方、不可避不純物の濃度を必要以上に低減しようとすると、製造プロセスが複雑となって製造コストが大幅に上昇してしまう。そこで、本実施形態では、ガス成分（Ｃ，Ｎ、Ｏ）を除く不可避不純物の濃度を総計で５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下の範囲内に、ガス成分（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の濃度を総計で１０質量ｐｐｍ以上１００００質量ｐｐｍ以下の範囲内に設定する。
ガス成分（Ｃ，Ｎ、Ｏ）を除く不可避不純物の濃度を総計で５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下の範囲内に、ガス成分（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の濃度を総計で１０質量ｐｐｍ以上１００００質量ｐｐｍ以下の範囲内とするために、原料としては、純度９９〜９９．９９９９質量％の高純度銅や無酸素銅（Ｃ１０１００，Ｃ１０２００）を用いることができる。
不可避不純物については、その濃度を低くすることで電気伝導率や熱伝導率の特性が向上することになる。一方、不可避不純物の濃度を必要以上に低減しようとすると、製造プロセスが複雑となって製造コストが大幅に上昇してしまう。そこで、本実施形態では、ガス成分（Ｃ，Ｎ、Ｏ）を除く不可避不純物の濃度を総計で５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下の範囲内に、ガス成分（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の濃度を総計で１０質量ｐｐｍ以上１００００質量ｐｐｍ以下の範囲内に設定する。
ガス成分（Ｃ，Ｎ、Ｏ）を除く不可避不純物の濃度を総計で５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下の範囲内に、ガス成分（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の濃度を総計で１０質量ｐｐｍ以上１００００質量ｐｐｍ以下の範囲内とするために、原料としては、純度９９〜９９．９９９９質量％の高純度銅や無酸素銅（Ｃ１０１００，Ｃ１０２００）を用いることができる。
なお、製造コストの上昇を確実に抑制するためには、ガス成分（Ｃ，Ｎ、Ｏ）を除く不可避不純物の下限を１０質量ｐｐｍ以上とすることが好ましく、１５質量ｐｐｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、電気伝導率や熱伝導率を確実に向上させるためには、ガス成分（Ｃ，Ｎ、Ｏ）を除く不可避不純物の上限を４５質量ｐｐｍ以下とすることが好ましく、４０質量ｐｐｍ以下とすることがさらに好ましい。
ここで、本実施形態におけるガス成分（Ｃ，Ｎ，Ｏ）を除く不可避不純物は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｓ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｐ，Ｌｉ，Ｂｅ，Ｆ，Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｌ，Ｋ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｂｒ，Ｒｂ，Ｓｒ，Ｙ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｉ，Ｃｓ，Ｂａ，希土類元素，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｔｈ、Ｕのうち、１種または２種以上である。
「金属間化合物」
金属間化合物は、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒであり、後述する真空鋳造法により銅合金を形成し、この銅合金に対し３００〜８００℃で熱処理を施して析出させた微粒子状の析出物である。熱処理温度については３００〜６００℃であることがより好ましい。
後述する真空鋳造法により溶湯から急冷して製造した銅合金においては、銅合金素地中に過飽和に固溶させたＳやＺｒが含まれており、この銅合金に熱処理を施すことでＣｕとＳもしくはＺｒの金属間化合物を複数析出させることができ、目的のレーザー光吸収率に優れた銅合金を得ることができる。
Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒで示される金属間化合物は、ファイバーレーザーの中心波長である１０６４ｎｍに対応する１．２ｅＶ程度のバンドギャップを有すると考えられる。このため、通常、２ｅＶ程度であるとされるＣｕのバンドギャップに対し、より低エネルギーで遷移可能な上述の金属間化合物の析出分散により金属間化合物がエネルギー吸収を担うため、ファイバーレーザーのレーザー光に対し、銅合金としての吸収率が向上するものと考えられる。
金属間化合物は、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒであり、後述する真空鋳造法により銅合金を形成し、この銅合金に対し３００〜８００℃で熱処理を施して析出させた微粒子状の析出物である。熱処理温度については３００〜６００℃であることがより好ましい。
後述する真空鋳造法により溶湯から急冷して製造した銅合金においては、銅合金素地中に過飽和に固溶させたＳやＺｒが含まれており、この銅合金に熱処理を施すことでＣｕとＳもしくはＺｒの金属間化合物を複数析出させることができ、目的のレーザー光吸収率に優れた銅合金を得ることができる。
Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒで示される金属間化合物は、ファイバーレーザーの中心波長である１０６４ｎｍに対応する１．２ｅＶ程度のバンドギャップを有すると考えられる。このため、通常、２ｅＶ程度であるとされるＣｕのバンドギャップに対し、より低エネルギーで遷移可能な上述の金属間化合物の析出分散により金属間化合物がエネルギー吸収を担うため、ファイバーレーザーのレーザー光に対し、銅合金としての吸収率が向上するものと考えられる。
図１（Ａ）は一例として、上述の銅合金により形成された短冊板状の板材１、２をレーザー溶接により接合した接合体３を示す平面図であり、図１（Ｂ）は接合体３の側面図である。
この例の接合体３は、板材１、２の長さ方向端部どうしを所定幅にわたり重ね合わせ、重ね合わせ部５を形成している。この重ね合わせ部５の中央に板材１、２の幅方向に沿うようにファイバーレーザーを所定長さに渡り照射して照射部分を加熱溶融し、溶接部６が形成されている。この溶接部６により板材１、２が接合され、接合体３が形成される。
この例の接合体３は、板材１、２の長さ方向端部どうしを所定幅にわたり重ね合わせ、重ね合わせ部５を形成している。この重ね合わせ部５の中央に板材１、２の幅方向に沿うようにファイバーレーザーを所定長さに渡り照射して照射部分を加熱溶融し、溶接部６が形成されている。この溶接部６により板材１、２が接合され、接合体３が形成される。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示す板材１、２は上述の銅合金により形成され、ファイバーレーザーの吸収率が高いため、ファイバーレーザーを照射した部分を容易に加熱溶融することができる。このため、レーザー溶接により接合体３を作成する場合に効率良く溶接が可能となる。
以上説明のように、上述の銅合金は優れたレーザー溶接性を有する。このため、板材１、２に限らず、レザー溶接がなされる種々の形状の部材を上述の銅合金から形成することでレーザー溶接性に優れた部材を提供できる。
以上説明のように、上述の銅合金は優れたレーザー溶接性を有する。このため、板材１、２に限らず、レザー溶接がなされる種々の形状の部材を上述の銅合金から形成することでレーザー溶接性に優れた部材を提供できる。
「銅合金の製造方法」
本実施形態の銅合金の製造方法は、一例として、真空中において純度９９．９９質量％以上９９．９９９９質量％未満の高純度銅及びＣｕ−ＳもしくはＣｕ−Ｚｒの母合金を原料として用い、後述する表１に記載の組成となるように調整する。例えば、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金となるように調整する。
また、ＳもしくはＺｒについては、純度９９質量％以上のＳもしくはＺｒと純度９９．９質量％の純銅とから各々の元素の母合金を作成し、その母合金を用いて調整することができる。溶解して得た銅合金溶湯を坩堝中で凝固させることによって銅合金を得ることが出来る。
本実施形態の銅合金の製造方法は、一例として、真空中において純度９９．９９質量％以上９９．９９９９質量％未満の高純度銅及びＣｕ−ＳもしくはＣｕ−Ｚｒの母合金を原料として用い、後述する表１に記載の組成となるように調整する。例えば、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金となるように調整する。
また、ＳもしくはＺｒについては、純度９９質量％以上のＳもしくはＺｒと純度９９．９質量％の純銅とから各々の元素の母合金を作成し、その母合金を用いて調整することができる。溶解して得た銅合金溶湯を坩堝中で凝固させることによって銅合金を得ることが出来る。
なお、本実施形態においては、真空鋳造を用いた例を説明したが、銅合金の製造方法については、この他、砂型鋳造法、精密鋳造法、連続鋳造法などによって、銅合金を製造してもよい。
上述の方法により得られた銅合金を必要に応じて圧延加工や切断加工などの形状加工を加えた後に、雰囲気加熱炉を用い、３００℃以上、８００℃以下の温度条件、より好ましくは４００℃以上、６００℃以下の温度条件で１０分以上１２０分以下程度、例えば６０分程度加熱後冷却する熱処理を施す。
この熱処理によって、銅合金の金属組織中にＣｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物を析出させることができる。これらの金属間化合物は、１μｍ程度以下の粒径を有する微細な粒子状の析出物であり、銅合金の結晶粒内あるいは結晶粒界にランダムに複数析出する。
この熱処理によって、銅合金の金属組織中にＣｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物を析出させることができる。これらの金属間化合物は、１μｍ程度以下の粒径を有する微細な粒子状の析出物であり、銅合金の結晶粒内あるいは結晶粒界にランダムに複数析出する。
前述の銅合金であるならば、中心波長１０６４ｎｍのファイバーレーザーに対するレーザー光の吸収率が高いので、ファイバーレーザー光の照射により銅合金を効率良く発熱させて溶接や切断加工を実施できる。
このため、前述の銅合金を用いて積層造形を行うならば、密度が高く、気孔が少なく、硬度の高い積層造形物を製造することができる。また、前述の銅合金を用いてレーザー溶接性に優れた部材を提供できる。
このため、前述の銅合金を用いて積層造形を行うならば、密度が高く、気孔が少なく、硬度の高い積層造形物を製造することができる。また、前述の銅合金を用いてレーザー溶接性に優れた部材を提供できる。
純度（９９．９９９）質量％の高純度銅に必要量のＣｕ−Ｓ合金もしくはＣｕ−Ｚｒ合金を添加して真空溶解炉に投入し、銅合金溶湯を作製するとともに、この銅合金溶湯を凝固させることによって銅合金のインゴットを得た。得られた銅合金インゴットを５０ｍｍ×２００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの板状に加工した。その後、表１に示す熱処理条件（加熱温度：℃、加熱時間：時間）にてそれぞれの銅合金板を熱処理し、金属間化合物を析出させた銅合金板を得た。
得られた銅合金板について、ＳもしくはＺｒ含有量、析出物相の同定、析出物相の分散状態、１０６４ｎｍ波長光に対する吸収率、の測定結果を表１に示す。Ｓ含有量、析出物相の同定、析出物相の分散状態、１０６４ｎｍ波長光に対する吸収率を以下に説明する方法で測定した。
「Ｓ含有量」
ＨＯＲＩＢＡ（株式会社堀場製作所）製 ＥＭＩＡ−８１０Ｗ（管状炉燃焼−赤外吸収法）を用いて銅合金板中のＳ濃度を測定した。
「Ｚｒ含有量」
日本ジャーレルアッシュ製誘導結合プラズマ発行分析装置 ＩＣＡＰ−８８を用いて、銅合金板中のＺｒ濃度を測定した。
「析出物の同定」
析出物の同定は、Ｘ線回折装置により回折パターンを測定し、各例の銅合金板中の析出物の同定を行い、Ｃｕ−Ｓ系もしくはＣｕ−Ｚｒ系金属間化合物が形成されていることを確認した。
ＨＯＲＩＢＡ（株式会社堀場製作所）製 ＥＭＩＡ−８１０Ｗ（管状炉燃焼−赤外吸収法）を用いて銅合金板中のＳ濃度を測定した。
「Ｚｒ含有量」
日本ジャーレルアッシュ製誘導結合プラズマ発行分析装置 ＩＣＡＰ−８８を用いて、銅合金板中のＺｒ濃度を測定した。
「析出物の同定」
析出物の同定は、Ｘ線回折装置により回折パターンを測定し、各例の銅合金板中の析出物の同定を行い、Ｃｕ−Ｓ系もしくはＣｕ−Ｚｒ系金属間化合物が形成されていることを確認した。
「析出物の分散状態」
銅合金板の断面をＳＥＭにより撮影し、断面写真を画像解析ソフトウェアWinROOFを用いて析出物を特定し、析出物の面積率の算出行った。
その際、ＳＥＭ−ＥＤＳを用いて、撮影された析出物がＳもしくはＺｒを含有している相であることを合わせて確認し、解析を実施した。
「１０６４ｎｍ波長光に対する吸収率」
株式会社日立ハイテクサイエンス社製の「紫外可視近赤外分光光度計Ｕ−４１００」を用いて各例の銅合金板の光吸収率を測定した。
ファイバーレーザーの中心波長である１０６４ｎｍにおける全反射率を測定し、光吸収率＝（１−全反射率）の関係式から、光吸収率（％）を算出した。
以上の結果を表１に示す。
銅合金板の断面をＳＥＭにより撮影し、断面写真を画像解析ソフトウェアWinROOFを用いて析出物を特定し、析出物の面積率の算出行った。
その際、ＳＥＭ−ＥＤＳを用いて、撮影された析出物がＳもしくはＺｒを含有している相であることを合わせて確認し、解析を実施した。
「１０６４ｎｍ波長光に対する吸収率」
株式会社日立ハイテクサイエンス社製の「紫外可視近赤外分光光度計Ｕ−４１００」を用いて各例の銅合金板の光吸収率を測定した。
ファイバーレーザーの中心波長である１０６４ｎｍにおける全反射率を測定し、光吸収率＝（１−全反射率）の関係式から、光吸収率（％）を算出した。
以上の結果を表１に示す。
次に、熱処理済みの銅合金板（実施例１〜実施例５と比較例３、比較例４）と熱処理を行っていない銅合金板（比較例１、比較例２）を用い、溶接性の評価を実施した。
溶接性の評価には、幅５０ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの銅合金板（銅合金シート）２枚を５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲で重ね合わせて固定した後、４００Ｗファイバーレーザーを用いて幅０．５ｍｍ×長さ３０ｍｍの重ね合わせ溶接を行った。
得られたシート接合体について、１０Ｎの引張荷重を加えた時の剥離の有無について評価を実施した。
以上の測定結果をまとめて以下の表１に記載する。
溶接性の評価には、幅５０ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの銅合金板（銅合金シート）２枚を５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲で重ね合わせて固定した後、４００Ｗファイバーレーザーを用いて幅０．５ｍｍ×長さ３０ｍｍの重ね合わせ溶接を行った。
得られたシート接合体について、１０Ｎの引張荷重を加えた時の剥離の有無について評価を実施した。
以上の測定結果をまとめて以下の表１に記載する。
表１に結果を示すように、実施例１〜５は、ＳまたはＺｒを含む銅合金の表面に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有しているので、近赤外領域での高い光吸収率を得ることが出来、レーザー溶接後の剥離も見られない。
実施例１〜５の銅合金中には、断面観察からの解析の結果、金属間化合物が断面面積率で３．０％以上（３．０〜１５．６％）分散していることが確認された。表１において、Ｎ．Ｄ．は、Not Detectedを意味する。
実施例１〜５の銅合金中には、断面観察からの解析の結果、金属間化合物が断面面積率で３．０％以上（３．０〜１５．６％）分散していることが確認された。表１において、Ｎ．Ｄ．は、Not Detectedを意味する。
実施例１〜５の銅合金は、ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金中に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有している銅合金である。
また、これらの銅合金は、前記金属間化合物が３．０％以上、１６％以下の面積分率で分散していることが分かる。
更に、これらの銅合金は、中心波長１０６４ｎｍの光の吸収率が１５〜２６％の優れた値を示した。このため、実施例１〜実施例７のシート接合体はレーザー溶接が充分になされており、剥離を生じない接合体であった。
また、これらの銅合金は、前記金属間化合物が３．０％以上、１６％以下の面積分率で分散していることが分かる。
更に、これらの銅合金は、中心波長１０６４ｎｍの光の吸収率が１５〜２６％の優れた値を示した。このため、実施例１〜実施例７のシート接合体はレーザー溶接が充分になされており、剥離を生じない接合体であった。
図２は、実施例２の銅合金板（５００℃で１時間熱処理）の金属組織拡大写真を示す。
図２に示すように結晶粒内あるいは結晶粒界に粒径１μｍ以下の複数の粒子状金属間化合物が析出していることを確認できた。図２の右下に表示した縮尺は５μｍである。
図２に示すように結晶粒内あるいは結晶粒界に粒径１μｍ以下の複数の粒子状金属間化合物が析出していることを確認できた。図２の右下に表示した縮尺は５μｍである。
これらに対し比較例１および比較例２の銅合金は、ＳあるいはＺｒを含有しているが、熱処理を施していないために金属間化合物の析出が見られない。このため、比較例１および比較例２の銅合金は光吸収率が低く、溶接性も不十分であった。
比較例３および比較例４の銅合金は、銅合金に含まれるＳあるいはＺｒの添加濃度が０．０１％以下と低いため、熱処理を実施しても金属間化合物の析出がみられない。
このため、同様に光吸収率が低く、溶接性も不十分であった。
比較例３および比較例４の銅合金は、銅合金に含まれるＳあるいはＺｒの添加濃度が０．０１％以下と低いため、熱処理を実施しても金属間化合物の析出がみられない。
このため、同様に光吸収率が低く、溶接性も不十分であった。
また、図４は図２に示す銅合金の金属組織に対し、熱処理以前の銅合金の金属組織を示す組織写真である。
図２と図４を対比して明らかなように、熱処理後の試料には、微細な金属間化合物が複数析出していることがわかる。なお、図２に示す写真と同じ倍率で同じ位置を元素分析したところ、析出物部分のＳ濃度が極めて高いことが判明した。
図３は図２に示す銅合金の金属組織において金属間化合物が複数析出している領域を元素分析した結果を示す。図３の左側の図に示す金属組織の色の濃い粒子状の部分に対応するように、図３の右側の図に示すＳの分析結果において発色の薄い部分が対応している。
図３の右側の図に示す発色の薄い部分はＳの濃度が高い部分を示す。このため、図２に示す円形状の部分は、Ｃｕ−Ｓ系金属間化合物であると想定できる。
図２と図４を対比して明らかなように、熱処理後の試料には、微細な金属間化合物が複数析出していることがわかる。なお、図２に示す写真と同じ倍率で同じ位置を元素分析したところ、析出物部分のＳ濃度が極めて高いことが判明した。
図３は図２に示す銅合金の金属組織において金属間化合物が複数析出している領域を元素分析した結果を示す。図３の左側の図に示す金属組織の色の濃い粒子状の部分に対応するように、図３の右側の図に示すＳの分析結果において発色の薄い部分が対応している。
図３の右側の図に示す発色の薄い部分はＳの濃度が高い部分を示す。このため、図２に示す円形状の部分は、Ｃｕ−Ｓ系金属間化合物であると想定できる。
次に、表１に示す実施例１の試料に関し、Ｘ線回折装置による回折パターンを求めた結果を図５に示す。
図５に示す回折パターンにおいて、４４ｄｅｇｒｅｅ前後と５０ｄｅｇｒｅｅ前後に存在する鋭い大きなピークは銅由来のパターンである。
その他、図５における２７ｄｅｇｒｅｅ前後、３３ｄｅｇｒｅｅ前後、３９ｄｅｇｒｅｅ前後、４５ｄｅｇｒｅｅ前後に存在する小さなピークは、Ｃｕ１．９６Ｓに由来するピークである。
このため、銅合金の表面に析出している析出物はＣｕ１．９６Ｓなる組成の金属間化合物であることが分かった。
なお、同様の手法により、実施例２の銅合金について、Ｘ線回折装置による回折パターンを求めた結果、Ｃｕ２Ｓなる組成の金属間化合物によるピークを確認できた。Ｃｕ２Ｓなる組成の金属間化合物は回折パターンに、２５ｄｅｇｒｅｅ前後、２７ｄｅｇｒｅｅ前後、２９ｄｅｇｒｅｅ前後、３１ｄｅｇｒｅｅ前後、３３ｄｅｇｒｅｅ前後、３５ｄｅｇｒｅｅ前後、３７ｄｅｇｒｅｅ前後、３８ｄｅｇｒｅｅ前後、４１ｄｅｇｒｅｅ前後、４７ｄｅｇｒｅｅ前後、４９ｄｅｇｒｅｅ前後のピークを有する。
また、実施例６の銅合金においてＸ線回折装置による回折パターンを求めた結果、Ｃｕ５Ｚｒなる組成の金属間化合物によるピークを確認できた。Ｃｕ５Ｚｒなる組成の金属間化合物は回折パターンに、３６．９ｄｅｇｒｅｅ前後、４６．７ｄｅｇｒｅｅ前後、のピークを有する。
図５に示す回折パターンにおいて、４４ｄｅｇｒｅｅ前後と５０ｄｅｇｒｅｅ前後に存在する鋭い大きなピークは銅由来のパターンである。
その他、図５における２７ｄｅｇｒｅｅ前後、３３ｄｅｇｒｅｅ前後、３９ｄｅｇｒｅｅ前後、４５ｄｅｇｒｅｅ前後に存在する小さなピークは、Ｃｕ１．９６Ｓに由来するピークである。
このため、銅合金の表面に析出している析出物はＣｕ１．９６Ｓなる組成の金属間化合物であることが分かった。
なお、同様の手法により、実施例２の銅合金について、Ｘ線回折装置による回折パターンを求めた結果、Ｃｕ２Ｓなる組成の金属間化合物によるピークを確認できた。Ｃｕ２Ｓなる組成の金属間化合物は回折パターンに、２５ｄｅｇｒｅｅ前後、２７ｄｅｇｒｅｅ前後、２９ｄｅｇｒｅｅ前後、３１ｄｅｇｒｅｅ前後、３３ｄｅｇｒｅｅ前後、３５ｄｅｇｒｅｅ前後、３７ｄｅｇｒｅｅ前後、３８ｄｅｇｒｅｅ前後、４１ｄｅｇｒｅｅ前後、４７ｄｅｇｒｅｅ前後、４９ｄｅｇｒｅｅ前後のピークを有する。
また、実施例６の銅合金においてＸ線回折装置による回折パターンを求めた結果、Ｃｕ５Ｚｒなる組成の金属間化合物によるピークを確認できた。Ｃｕ５Ｚｒなる組成の金属間化合物は回折パターンに、３６．９ｄｅｇｒｅｅ前後、４６．７ｄｅｇｒｅｅ前後、のピークを有する。
以上の対比から、レーザー加工用途として、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有している銅合金であれば、高い光吸収率とそれに伴う良好な溶接性を得られることが分かった。
１、２…板材、３…接合体、５…重ね合わせ部、６…溶接部。
Claims (4)
- ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金中に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有していることを特徴とするレーザー光吸収率に優れる銅合金。
- 前記銅合金断面中に複数分散している金属間化合物が、３．０％以上、１６％以下の面積分率で分散していることを特徴とする請求項１に記載のレーザー光吸収率に優れる銅合金。
- ＳもしくはＺｒを０．０１質量％以上１．０質量％以下含有し、残部不可避不純物とＣｕからなる銅合金中に、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ２Ｓの何れか一方あるいは両方もしくはＣｕ５Ｚｒからなる金属間化合物が複数分散されている組織を有するレーザー光吸収率に優れる銅合金の製造方法であり、ＳもしくはＺｒを含む銅合金溶湯を凝固させて得られた銅合金に対し、３００℃以上８００℃以下の条件で熱処理することを特徴とするレーザー光吸収率に優れる銅合金の製造方法。
- 前記銅合金断面中に複数分散している金属間化合物が、３．０％以上、１６％以下の面積分率で分散していることを特徴とする請求項３に記載のレーザー光吸収率に優れる銅合金の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020042181A JP2021143376A (ja) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | レーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020042181A JP2021143376A (ja) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | レーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021143376A true JP2021143376A (ja) | 2021-09-24 |
Family
ID=77767164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020042181A Pending JP2021143376A (ja) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | レーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2021143376A (ja) |
-
2020
- 2020-03-11 JP JP2020042181A patent/JP2021143376A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7380550B2 (ja) | 純銅板 | |
| CN113862543B (zh) | 合金部件的制造方法 | |
| KR101727376B1 (ko) | 구리 합금 및 구리 합금 소성 가공재 | |
| TWI327172B (en) | Copper alloy having high strength and superior bending workability, and method for manufacturing copper alloy plates | |
| JP7342956B2 (ja) | 純銅板 | |
| JP6346983B1 (ja) | 銅合金粉末、積層造形物の熱処理方法、銅合金造形物の製造方法および銅合金造形物 | |
| JP6984799B1 (ja) | 純銅板、銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板 | |
| JP7342957B2 (ja) | 純銅板、銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板 | |
| KR20210118131A (ko) | 알루미늄 합금 부품 제조 방법 | |
| EP3872197A1 (en) | Composite copper alloy comprising high-entropy alloy, and manufacturing method therefor | |
| KR102493118B1 (ko) | 구리 합금 소재 | |
| JP6496072B1 (ja) | 積層造形用の金属粉末、および銅合金造形物の製造方法 | |
| KR102486303B1 (ko) | 주조용 몰드재, 및 구리 합금 소재 | |
| JP6975888B2 (ja) | 積層造形物の熱処理方法および銅合金造形物の製造方法 | |
| US11351601B2 (en) | Copper alloy powder having excellent laser absorptivity | |
| JP2021143376A (ja) | レーザー光吸収率に優れる銅合金及びその製造方法 | |
| US20230381858A1 (en) | Metal powder for additive manufacturing, method of manufacturing an additive manufactured object using the metal powder, and the additive manufactured object | |
| WO2022215468A1 (ja) | 導電性に優れた積層造形用の銅合金粉末 | |
| JP2019203197A (ja) | 積層造形物の熱処理方法および銅合金造形物の製造方法 | |
| JP6559865B1 (ja) | 銅合金造形物の製造方法および銅合金造形物 | |
| JP2020037730A (ja) | アルミニウム合金及びその製造方法 | |
| JP6614806B2 (ja) | 銅合金板および銅合金板の製造方法 | |
| JP6185799B2 (ja) | Ｃｕ−Ｔｉ系銅合金および製造方法 | |
| WO2024024909A1 (ja) | 純銅材、絶縁基板、電子デバイス | |
| JP2024067683A (ja) | アルミニウム合金及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230222 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240227 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240424 |