JP2022158897A - 銅合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れた銅合金を製造又は提供する。
【解決手段】Ｎｉ：５～２５重量％、Ｓｎ：５～１０重量％、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる、銅合金であって、上記銅合金に、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物を含むＮｉ基金属間化合物粒子が生成しており、上記銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数が、１．０×１０^３～１．０×１０^６個である、銅合金。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅合金及びその製造方法に関する。

従来より、耐摩耗性を有する材料は自動車、建設機械、農業機械、船舶等の様々な分野で使用されている。このような耐摩耗性を有する材料は、ベアリング、ピストンブッシュ、メタルブッシュ等の摺動部品（すべり軸受）として用いられることが多く、例えばＣｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金製、高力黄銅製、ケルメット製等のものが知られている。

耐摩耗性を有する材料としては、荷重や回転速度等の使用箇所の条件に応じて上記の種々の合金が選択される。Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金製材料として、例えば、特許文献１（特開平８－２８３８８９号公報）には、重量％で、Ｎｉ：５～２０％、Ｓｎ：３～１５％、Ｍｎ：０．５～５％、残部Ｃｕ及び不可避不純物よりなる高強度・高硬度銅合金が開示されている。この銅合金のマトリックス中に硬い金属間化合物が晶出し、耐摩耗性と耐焼付性の向上に寄与することが記載されている。また、特許文献２（特表２０１９－５２４９８４号公報）には、（重量％で）Ｎｉ：２．０～１０．０％、Ｓｎ：２．０～１０．０％、Ｓｉ：０．０１～１．５％、Ｂ：０．００２～０．４５％、Ｐ：０．００１～０．０９％、任意成分としての所定の金属元素、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる、高強度Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金が開示されている。

特開平８－２８３８８９号公報 特表２０１９－５２４９８４号公報

上記のようにＣｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金製の耐摩耗性材料が研究されてはいるものの、耐摩耗性のさらなる向上が求められる。

本発明者らは、今般、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成した、所定の組成を有する銅合金が優れた耐摩耗性を有するとの知見を得た。

したがって、本発明の目的は、耐摩耗性に優れた銅合金を製造又は提供することにある。

本発明の一態様によれば、
Ｎｉ：５～２５重量％、
Ｓｎ：５～１０重量％、
Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、
Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに
残部Ｃｕ及び不可避不純物
からなる、銅合金であって、前記銅合金に、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物を含むＮｉ基金属間化合物粒子が生成しており、前記銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在する前記Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数が、１．０×１０^３～１．０×１０^６個である、銅合金が提供される。

本発明の他の一態様によれば、前記銅合金の製造方法であって、
Ｎｉ：５～２５重量％、
Ｓｎ：５～１０重量％、
Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、
Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに
残部Ｃｕ及び不可避不純物
からなる、原料合金を溶解及び鋳造して、鋳塊とする工程と、
前記鋳塊を熱間加工又は冷間加工して、中間品とする工程と、
前記中間品に対して、ｉ）熱処理、ｉｉ）熱間加工又は冷間加工、及びｉｉｉ）溶体化をこの順に施すことにより、加工熱処理を行う工程と、
前記加工熱処理後の中間品を時効処理して、前記銅合金を得る工程と、
を含む、銅合金の製造方法が提供される。

例１で得られた銅合金断面の電子顕微鏡観察画像である。 銅合金の摩擦摩耗試験で用いられるリング状の相手材を示す模式平面図である。 銅合金の摩擦摩耗試験で用いられるリング状の相手材を示す模式正面図である。 銅合金の摩擦摩耗試験方法であるリングｏｎディスク試験を説明するための概念図である。 例２で得られた銅合金断面の電子顕微鏡観察画像である。 例６で得られた銅合金断面の電子顕微鏡観察画像である。 例７で得られた銅合金断面の電子顕微鏡観察画像である。 例８で得られた銅合金断面の電子顕微鏡観察画像である。

銅合金
本発明による銅合金は、Ｎｉ：５～２５重量％、Ｓｎ：５～１０重量％、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる。また、この銅合金にはＮｉ－Ｍ金属間化合物を含むＮｉ基金属間化合物粒子が生成している。さらに、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数が、１．０×１０^３～１．０×１０^６個である。このような銅合金は耐摩耗性に優れる。前述したとおり、従来より、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金製の耐摩耗性材料が研究されてはいるものの、耐摩耗性のさらなる向上が求められている。これに対し、本発明によれば耐摩耗性に優れる銅合金を提供することができる。

本発明の銅合金は、０．４以下の摩擦係数を有するのが好ましく、より好ましくは０．３５以下、さらに好ましくは０．３以下の摩擦係数を有する。このような耐摩耗性に優れる銅合金は、例えばすべり軸受等の摺動部品に用いられるが、耐摩耗性を必要とするものであれば特に限定されない。

本発明の銅合金は、Ｎｉ：５～２５重量％、Ｓｎ：５～１０重量％、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物で構成される。この銅合金は好ましくは、Ｎｉ：８．５～９．５重量％、Ｓｎ：５．５～６．５重量％、Ｚｒ：０．０～０．２重量％、Ｔｉ：０．０～０．２重量％、Ｆｅ：０．０～０．２重量％、Ｓｉ：０．０～０．２重量％、Ｍｎ：０．２～０．９重量％、Ｚｎ：０．０～０．２重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物（ただし、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉの少なくとも１種を合計で０．０１～０．３０重量％となる範囲内で含む）で構成されるものであるか、Ｎｉ：２０．０～２２．０重量％、Ｓｎ：４．５～５．７重量％、Ｚｒ：０．０～０．２重量％、Ｔｉ：０．０～０．２重量％、Ｆｅ：０．０～０．２重量％、Ｓｉ：０．０～０．２重量％、Ｍｎ：０．２～０．９重量％、Ｚｎ：０．０～０．２重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物（ただし、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉの少なくとも１種を合計で０．０１～０．３０重量％となる範囲内で含む）で構成されるものである。

本発明の銅合金の結晶粒径は１．０～１００μｍであるのが好ましく、より好ましくは１．０～２０μｍである。こうすることで、銅合金の延性がより向上し、伸びの確保ができ、曲げ性を向上することができる。

元素Ｍは、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉのうち少なくとも１種の元素である。元素Ｍは、ＮｉとともにＮｉ－Ｍ金属間化合物を構成し、これを含むＮｉ基金属間化合物粒子の生成に寄与する。Ｎｉ基金属間化合物粒子は、銅合金に生成してあたかも軸受のコロのように機能し、その結果、銅合金の耐摩耗性向上に寄与するものと考えられる。Ｎｉ－Ｍ金属間化合物の例としては、Ｎｉ－Ｚｒ金属間化合物、Ｎｉ－Ｔｉ金属間化合物、Ｎｉ－Ｆｅ金属間化合物、及びＮｉ－Ｓｉ金属間化合物である。元素Ｍは、少なくともＺｒを含むのが好ましく、より好ましくはＺｒである。よって、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物は、好ましくはＮｉ－Ｚｒ金属間化合物である。Ｚｒは、銅合金とこれと接する相手材（例えばＪＩＳ Ｇ ４８０５：ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）等の炭素鋼）との間で最適な硬さを有するＮｉ基金属間化合物を生成するため、耐摩耗性向上への効果がより期待される。上述のとおり、Ｚｒの他にもＴｉ、Ｆｅ及びＳｉでもＮｉ－Ｍ金属間化合物を生成するが、銅合金にＴｉ、Ｆｅ及びＳｉよりもＺｒを含む方が銅合金製造時の圧延性の観点からも好ましい。すなわち、元素ＭがＺｒであることにより、耐摩耗性と圧延性の両方を効果的に実現することができる。

本発明の銅合金には元素Ｍの他にＳｎも含まれるため、Ｎｉ基金属間化合物粒子として、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物の他に、Ｎｉ－Ｓｎ金属間化合物（例えば、Ｎｉ_２Ｓｎ_３及びＮｉ_３Ｓｎ）も生成しうる。そのため、Ｎｉ基金属間化合物粒子は、好ましくはＮｉ－Ｍ金属間化合物及びＮｉ－Ｓｎ金属間化合物を含み、より好ましくはＮｉ－Ｍ金属間化合物及びＮｉ－Ｓｎ金属間化合物で構成される。技術的には、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子よりもＮｉ－Ｓｎ金属間化合物粒子の方が銅合金に生成する個数の割合は多い可能性があるが、Ｎｉ－Ｓｎ金属間化合物粒子の個数を増やすだけでは耐摩耗性の効果は十分ではない。一方で、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子はＮｉ－Ｓｎ金属間化合物粒子に比べて個数は少なくなる傾向にあるものの、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物を銅合金に生成させることで、耐摩耗性のさらなる向上が期待できる。Ｎｉ－Ｓｎ金属間化合物も（Ｎｉ－Ｍ金属間化合物ほどではないが）ある程度は耐摩耗性の向上に寄与しうるため、例えば銅合金製造過程において熱処理条件を調整することで、Ｎｉ－Ｓｎ金属間化合物を多く生成させることができる。これらのことから、本発明の銅合金は、従来のものより多くのＮｉ基金属間化合物粒子が生成していること、及びＮｉ基金属間化合物粒子がＮｉ－Ｍ金属間化合物を含むことを特徴としている。

銅合金に生成する０．１μｍ以上の粒径を有するＮｉ基金属間化合物粒子の個数全体に占める、０．１μｍ以上の粒径を有するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合は、耐摩耗性及び圧延性の向上の観点から、１．０～３０％であるのが好ましく、より好ましくは１．０～１５％である。なお、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数割合を求めるための測定方法は、特に限定されないが、例えば、ＳＥＭ－ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）による組成分析を用いる方法が好ましい。この場合、以下の手順でＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数割合を求めることができる。まず、銅合金の断面を研磨した後、エッチングを施して断面組織を出現させる。その断面にて任意に選択した５箇所を１０００倍の倍率でＳＥＭ－ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）によりそれぞれ撮影及び元素分析する。撮影したそれぞれの写真及び元素マッピング像上の直径６０ｍｍ（面積２８２６ｍｍ^２）の領域において、結晶粒界及び結晶粒内に点在するＮｉ基金属間化合物粒子（Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子を含む）の個数とＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数を測定する。このとき、０．１μｍ以上の粒径を有するもののみをＮｉ基金属間化合物粒子（Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子を含む）としてカウントするものとする。Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数をＮｉ基金属間化合物粒子の個数で割って、１００を乗じることにより、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合（％）を算出する。５箇所の各写真及び元素マッピング像において得られた値の平均値を当該銅合金の代表値として採用するのが望ましい。

元素Ｍの合計含有量は０．０１～０．３０重量％である。この含有量は０．０１～０．２０重量％であるのが好ましい。この含有量が０．３０重量％以下であることにより、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粗大化を抑制し微細化することができ、鋳造性及び圧延性を向上させることができる。この含有量が０．０１重量％以上であることにより、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径や個数を制御して、耐摩耗性及び熱間圧延性を向上させることができる。

本発明の銅合金に生成しているＮｉ基金属間化合物粒子は、０．１～１００μｍの粒径を有するのが好ましく、より好ましくは１．０～２０μｍ、さらに好ましくは１．０～１０μｍの粒径を有する。また、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は、１．０×１０^３～１．０×１０^６個であり、好ましくは１．０×１０^３～１．０×１０^５個、より好ましくは１．０×１０^４～１．０×１０^５個である。Ｎｉ基金属間化合物粒子の上記粒径や上記個数の測定方法及び算出方法は特に限定されないが、粒径が０．１μｍ以上のものをＮｉ基金属間化合物粒子としてカウントするのが好ましい。

元素Ａは、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰのうち少なくとも１種の元素である。本発明の銅合金が元素Ａを含むことにより、銅合金製造時にて、元素Ａが原料合金中に固溶して溶湯の脱酸をする効果や、溶体化熱処理時における母相の結晶粒の粗大化を防止する効果が期待される。元素Ａは、少なくともＭｎを含むのが好ましく、より好ましくはＭｎである。

元素Ａの合計含有量は、０．０１～１．００重量％である。この含有量は、好ましくは０．１０～０．４０重量％、より好ましくは０．１５～０．３０重量％である。この含有量が０．０１重量％以上であることにより、銅合金が元素Ａを含むことによる上述した効果がより期待できる。この含有量が１．００重量％以下であることにより、銅合金が元素Ａを含むことによる上述した効果がより期待できるが、これを超える量の元素Ａを添加しても更なる効果は期待できないと考えられる。また、銅合金中に元素ＡとしてＭｎを含む場合は、Ｍｎの含有量を０．１０～０．４０重量％とするのが好ましい。こうすることで、結晶粒が粗大化するのを抑制し、曲げ加工性を向上させることができる。

本発明の銅合金には不可避不純物が含まれるところ、不可避不純物の例としてはＢが挙げられる。銅合金中のＢの含有量は０重量％又はそれに限りなく近いのが典型的である。

銅合金の製造方法
本発明による銅合金の製造方法は、好ましくは、（ａ）Ｎｉ：５～２５重量％、Ｓｎ：５～１０重量％、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる、原料合金を溶解及び鋳造して、鋳塊とする工程と、（ｂ）鋳塊を熱間加工又は冷間加工して、中間品とする工程と、（ｃ）中間品に対して、ｉ）熱処理、ｉｉ）熱間加工又は冷間加工、及びｉｉｉ）溶体化をこの順に施すことにより、加工熱処理を行う工程と、（ｄ）加工熱処理後の中間品を時効処理して、銅合金を得る工程とを含む。これにより、上述したような耐摩耗性に優れた銅合金を製造することができる。銅合金の好ましい態様については上述したとおりであるので、ここでの説明は省略する。

（ａ）原料合金の溶解及び鋳造
まず、原料合金を用意する。原料合金はＮｉ：５～２５重量％、Ｓｎ：５～１０重量％、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物で構成されるものであるのが好ましい。この原料合金はより好ましくは、Ｎｉ：８．５～９．５重量％、Ｓｎ：５．５～６．５重量％、Ｚｒ：０．０～０．２重量％、Ｔｉ：０．０～０．２重量％、Ｆｅ：０．０～０．２重量％、Ｓｉ：０．０～０．２重量％、Ｍｎ：０．２～０．９重量％、Ｚｎ：０．０～０．２重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物（ただし、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉの少なくとも１種を合計で０．０１～０．３０重量％となる範囲内で含む）で構成されるものであるか、Ｎｉ：２０．０～２２．０重量％、Ｓｎ：４．５～５．７重量％、Ｚｒ：０．０～０．２重量％、Ｔｉ：０．０～０．２重量％、Ｆｅ：０．０～０．２重量％、Ｓｉ：０．０～０．２重量％、Ｍｎ：０．２～０．９重量％、Ｚｎ：０．０～０．２重量％、並びに残部Ｃｕ及び不可避不純物（ただし、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉの少なくとも１種を合計で０．０１～０．３０重量％となる範囲内で含む）で構成されるものである。元素Ｍは、少なくともＺｒを含むのが好ましく、より好ましくはＺｒである。元素Ａは、少なくともＭｎを含むのが好ましく、より好ましくはＭｎである。元素Ｍ及び元素Ａの好ましい含有量は上述の銅合金について記載した説明と同様である。

この工程では、用意した原料合金を溶解及び鋳造して、鋳塊とする。原料合金は、例えば高周波溶解炉で溶解するのが好ましい。鋳造方法は、特に限定されないが、全連続鋳造法、半連続鋳造法、バッチ鋳造法等の方法を用いてもよい。また、水平鋳造法、縦型鋳造法等の方法を用いてもよい。得られる鋳塊の形状は、例えば、スラブ、ビレット、ブルーム、板、棒、管、ブロック等の形状であってもよいが、特に限定されないためこれら以外の形状でもよい。

（ｂ）鋳塊の熱間加工又は冷間加工
得られた鋳塊を熱間加工又は冷間加工して、中間品とする。加工方法としては、鍛造、圧延、押出し、引き抜き等が挙げられる。この工程では、好ましくは鋳塊を熱間加工又は冷間加工することで粗圧延し、圧延材（中間品）を得る。

（ｃ）加工熱処理
得られた中間品に対して、ｉ）熱処理、ｉｉ）熱間加工又は冷間加工、及びｉｉｉ）溶体化をこの順に施すことにより、加工熱処理を行う。

加工熱処理を行う工程では、まず、中間品に熱処理を行う。この熱処理は、５００～９５０℃で２～２４時間保持するのが好ましい。熱処理の温度はより好ましくは６００～８００℃、さらに好ましくは６５０～７５０℃である。上記温度での保持時間はより好ましくは２～１２時間、さらに好ましくは５～１０時間である。こうすることで、目的のＮｉ基金属間化合物粒子を微細な生成物として銅合金に分散させることができ、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径、及び銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数を上述のとおりに制御することができる。

中間品に熱処理を行った後、熱間加工又は冷間加工を行う。加工方法としては上記（ｂ）における方法と同様の方法を用いてもよい。ここで、例えば中間品に圧延を施して板状に形成する場合、次式：Ｐ＝１００×（Ｔ－ｔ）／Ｔ（式中、Ｐは加工率（％）、Ｔは圧延前の中間品の板厚（ｍｍ）、ｔは圧延後の中間品の板厚（ｍｍ）である）により規定される加工率が、０～９５％となるように圧延するのが好ましい。

熱間加工又は冷間加工後の中間品に溶体化処理を行う。この処理は、７００～１０００℃で５秒～２４時間保持するのが好ましい。溶体化処理の温度はより好ましくは７５０～９５０℃、さらに好ましくは８００～９００℃である。上記温度での保持時間はより好ましくは１分～５時間、さらに好ましくは１～５時間である。溶体化処理後は、中間品を急冷するのが好ましい。冷却方法は特に限定されないが、例えば水冷、油冷、空冷等が挙げられる。この冷却による降温速度は、２０℃／ｓ以上が好ましく、より好ましくは５０℃／ｓ以上である。Ｎｉ：９．０重量％前後、及びＳｎ：６．０重量％前後を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である銅合金又はこれに近い組成（例えばＺｒやＭｎをさらに含む）の銅合金や、Ｎｉ：２１．０重量％前後、及びＳｎ：５．０重量％前後を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である銅合金又はこれに近い組成（例えばＺｒやＭｎをさらに含む）の銅合金を原料合金に用いる場合においては、中間品は７５０～８５０℃で５～５００秒保持するのが好ましく、より好ましくは７５０～８５０℃で３０～２４０秒保持する。また、これらのような中間品は溶体化処理後に直ちに水冷するのが好ましい。

（ｄ）中間品の時効処理
加工熱処理後の中間品を時効処理して、銅合金を得る。時効処理により、得られる銅合金の強度を高くすることができる。時効処理の温度は好ましくは３００～５００℃、より好ましくは３５０～４５０℃である。上記温度での保持時間は好ましくは１～２４時間、より好ましくは２～１２時間である。

上記（ａ）～（ｄ）の工程を経ることにより、耐摩耗性に優れた銅合金を好ましく製造することができる。

また、上記（ｃ）の加工熱処理後であって、上記（ｄ）の時効処理前に、中間品を仕上げ熱間加工又は仕上げ冷間加工してもよい。すなわち、加工熱処理後であって、時効処理前に、中間品を仕上げ熱間加工又は仕上げ冷間加工する工程をさらに含むのが好ましい。例えば、加工熱処理後であって時効処理前に、中間品に対して仕上げ冷間加工による仕上圧延を行うことで、中間品の板厚を目標のものにすることができる。

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。

例１
銅合金を以下の手順により作製し、評価した。

（１）原料合金の溶解及び鋳造
原料合金（Ｎｉ：８．５～９．５重量％、Ｓｎ：５．５～６．５重量％、Ｚｒ：０．１４重量％、Ｍｎ：０．３５重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物）を用意した。この原料合金を高周波溶解炉で溶解し、縦型鋳造法により鋳造して、直径３２０ｍｍの丸状の鋳塊を得た。

（２）鋳塊の熱間加工又は冷間加工
得られた鋳塊に均熱処理をして、熱間加工及び冷間加工を行うことで、中間品を得た。

（３）加工熱処理
得られた中間品に対して熱処理を行った。具体的には、中間品を７３０℃で６時間保持して、中間品にＮｉ基金属間化合物粒子を生成させた。次いで、この中間品に加工率が５０％となるように冷間加工することで圧延し、中間品を板状に成形した。さらに、この中間品を８２０℃で６０秒加熱することで溶体化し、その直後に水冷により２０℃／ｓの降温速度で急冷した。このようにして、中間品を加工熱処理した。

（４）中間品の仕上げ熱間加工又は仕上げ冷間加工
加工熱処理した中間品を冷間圧延（仕上圧延）することで、中間品の厚さを１．５ｍｍとした。

（５）中間品の時効処理
仕上圧延した中間品を３７５℃で２時間保持することで、中間品を時効処理し、銅合金を得た。

（６）評価
得られた銅合金に対して、以下の評価を行った。

＜断面観察＞
上記（５）で得られた銅合金の断面を研磨した後エッチングを施し、当該断面を１０００倍の倍率で電子顕微鏡により観察した。結果を図１に示す。図１において、黒色の点がＮｉ基金属間化合物粒子を表しており、多くのＮｉ基金属間化合物粒子が分散して生成していることが分かった。

また、この銅合金に生成しているＮｉ基金属間化合物粒子について、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径、及び銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数を測定した。具体的には、以下の方法で測定した。銅合金の断面を研磨した後、エッチングを施して断面組織を出現させた。その断面にて任意に選択した１０箇所を１０００倍の倍率で電子顕微鏡によりそれぞれ撮影した。撮影したそれぞれの写真上の縦８２ｍｍ、横１１８ｍｍ（面積９６７６ｍｍ^２）の領域において、結晶粒界及び結晶粒内に点在するＮｉ基金属間化合物粒子の寸法と数を測定した。このとき、０．１μｍ以上の粒径を有するもののみをＮｉ基金属間化合物粒子としてカウントした。各写真において、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数を単位面積１ｍｍ^２当たりの個数に換算した。これら１０箇所における単位面積１ｍｍ^２当たりのＮｉ基金属間化合物粒子の個数を算術平均して、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数を求めた。その結果、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は２．０×１０^４個であった。また、各写真内に見られるＮｉ基金属間化合物粒子の縦及び横の寸法を測定し、１０枚の写真すべてに見られるＮｉ基金属間化合物粒子の縦寸法の合計及び横寸法の合計を算出した。これら縦寸法の合計及び横寸法の合計をそれぞれ、１０枚の写真すべてに見られるＮｉ基金属間化合物粒子の合計個数で除することで、Ｎｉ基金属間化合物粒子の縦寸法及び横寸法それぞれの平均値を算出した。最後に算出した縦寸法及び横寸法それぞれの平均値を足して２で除することで、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径を求めた。その結果、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は１．５μｍであった。

さらに、この銅合金に生成しているＮｉ基金属間化合物粒子の個数全体に占める、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合を以下の手順で求めた。まず、銅合金の断面を研磨した後、エッチングを施して断面組織を出現させた。その断面にて任意に選択した５箇所を１０００倍の倍率でＳＥＭ－ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）によりそれぞれ撮影及び元素分析した。こうして取得したそれぞれの写真及び元素マッピング像上の直径６０ｍｍ（面積２８２６ｍｍ^２）の領域において、結晶粒界及び結晶粒内に点在するＮｉ基金属間化合物粒子（Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子を含む）の個数とＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数を測定した。このとき、０．１μｍ以上の粒径を有するもののみをＮｉ基金属間化合物粒子（Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子を含む）としてカウントした。Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数をＮｉ基金属間化合物粒子の個数で割って、１００を乗じることにより、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合（％）を算出した。５箇所の各写真及び元素マッピング像における、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合は、それぞれ７．５％、４．６％、６．４％、５．８％及び１３．６％であり、これらの平均値は７．５８％であった。

＜摩擦摩耗試験＞
上記（５）で得られた銅合金を以下のように試験することで、銅合金の耐摩耗性を評価した。この銅合金を、一辺が３０ｍｍ及び厚さが１．０～５．０ｍｍの形状の試験片（角板）に機械加工した。また、図２Ａ及び２Ｂに示されるような形状の鋼材（リング）を銅合金に対する相手材に用いた（図２Ｂ中の数値の単位はｍｍである）。図３に示されるように、試験片と相手材を用いて、摩擦摩耗試験機ＥＦＭ－３－Ｈ（株式会社エー・アンド・デイ製）により、リングｏｎディスク試験を室温（２５℃）で行った。この試験により得られた試験片の摩耗量と摩擦係数から、耐摩耗性を評価した。このときの試験条件及び試験方法の詳細を以下に示す。

（試験条件）
‐ 荷重：４０Ｎ
‐ 滑り速度：３ｍ／ｓ
‐ 試験片寸法：３０ｍｍ×３０ｍｍ
‐ 試験片及び相手材の表面粗さ：Ｒａ０．４μｍ以下
‐ 相手材材質：軸受鋼（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：ＳＵＪ２）、ＨＲＣ６０以上

（試験方法）
図３に示すように、試験片と相手材とをすべり面で接触させた状態で、固定した相手材に荷重４０Ｎで加圧し、３０分間試験片を回転させた。設定した荷重及び滑り速度で回転摺動させ、剪断力を摩擦力として検出し、摩擦係数を算出した。また、試験前と試験後の試験片の質量をそれぞれ測定し、摩耗量（ｍｇ）を算出した。摩擦係数が小さく摩耗量が少ない方が、耐摩耗性が良好であるといえる。

試験の結果、試験片の摩耗量は３．６ｍｇであり、摩擦係数は０．３０であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは１．３２μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは８．２１μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は２００μｍであった。

例２
上記（３）の加工熱処理を行う工程において、熱処理により中間品を５６５℃で６時間保持して、中間品にＮｉ基金属間化合物粒子を生成させたこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、図４において、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は１．０μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は１．０×１０^４個であった。ＳＥＭ－ＥＤＸにより取得した５箇所の各写真及び元素マッピング像において、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合は、それぞれ１７．９％、１９．３％、１４．５％、１１．５％及び１３．４％であり、これらの平均値は１５．３２％であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は６．８ｍｇであり、摩擦係数は０．３２であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは１．４７μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは９．８４μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は４５０μｍであった。

例３
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：１０．６重量％、Ｓｎ：５．５重量％、Ｓｉ：０．４５重量％、Ｍｎ：０．３７重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のもの（すなわち元素ＭとしてＳｉのみを添加したもの）を用いたこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は１０μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は１．０×１０^４個であった。ＳＥＭ－ＥＤＸにより取得した５箇所の各写真及び元素マッピング像において、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合は、それぞれ５．２％、１０．２％、６．６％、３．８％及び３．７％であり、これらの平均値は５．９０％であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は０．７ｍｇであり、摩擦係数は０．３２であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは０．９２μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは５．４９μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は３００μｍであった。

例４
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：１０．５重量％、Ｓｎ：５．４重量％、Ｆｅ：１．３８重量％、Ｓｉ：０．０２重量％、Ｍｎ：０．１８重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のもの（すなわち元素ＭとしてＦｅとＳｉを添加したもの）を用いたこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は１．０μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は２．０×１０^３個であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は３．９ｍｇであり、摩擦係数は０．３８であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは１．４７μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは８．７１μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は４００μｍであった。

例５
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：１０．６重量％、Ｓｎ：５．４重量％、Ｔｉ：０．７５重量％、Ｓｉ：０．０７重量％、Ｍｎ：０．４１重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のもの（すなわち元素ＭとしてＴｉとＳｉを添加したもの）を用いたこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は２５μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は２．０×１０^３個であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は５．０ｍｇであり、摩擦係数は０．４０であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは１．４１μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは６．９４μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は２００μｍであった。

例６
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：２０．０～２２．０重量％、Ｓｎ：４．５～５．７重量％、Ｚｒ：０．２１重量％、Ｍｎ：０．３４重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のものを用いたこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、図５において、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は３．０μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は５．０×１０^３個であった。ＳＥＭ－ＥＤＸにより取得した５箇所の各写真及び元素マッピング像において、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合は、それぞれ６．９％、１４．１％、５．７％、４．３％及び１５．８％であり、これらの平均値は９．３６％であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は６．８ｍｇであり、摩擦係数は０．３３であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは０．５３μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは５．２４μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は１００μｍであった。

例７（比較）
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：９．１４重量％、Ｓｎ：６．１８重量％、Ｚｒ：０．１０重量％、Ｍｎ：０．３３重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のものを用いたこと、並びに上記（２）～（５）を行わず以下のように溶体化処理及び時効処理を行ったこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

（溶体化処理及び時効処理）
上記（１）で得られた鋳塊に対し、溶体化熱処理（８００～９００℃で２～８時間保持後、水冷する処理）と時効熱処理（３００～４００℃で０．５～４保持後、空冷する処理）を行ない、銅合金を得た。すなわち、上記（２）における鋳塊を熱間加工又は冷間加工して中間品とする工程、上記（３）における溶体化以外の工程、及び上記（４）の仕上圧延を行う工程を行わなかった。

断面観察結果、図６において、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は２．０μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は８．０×１０^２個であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は６．８ｍｇであり、摩擦係数は０．５３であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは４．０４μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは１８．２μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は５００μｍであった。

例８（比較）
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：８．５～９．５重量％、Ｓｎ：５．５～６．５重量％、Ｍｎ：０．３５重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のもの（すなわち元素Ｍを添加していないもの）を用いたこと、並びに上記（３）の加工熱処理を行わなかったこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、図７において、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していないことが分かった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は６．８ｍｇであり、摩擦係数は０．４６であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは２．８６μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは１６．２２μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は５００μｍであった。

例９
上記（１）の原料合金として、Ｎｉ：２０．０～２２．０重量％、Ｓｎ：４．５～５．５重量％、Ｚｒ：０．１６重量％、Ｍｎ：０．３５重量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の組成のものを用いたこと以外は、例１と同様にして銅合金の作製及び評価を行った。

断面観察の結果、Ｎｉ基金属間化合物粒子が生成していることが分かった。また、Ｎｉ基金属間化合物粒子の粒径は４．８μｍであり、銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在するＮｉ基金属間化合物粒子の個数は１．６６×１０^３個であった。ＳＥＭ－ＥＤＸにより取得した５箇所の各写真及び元素マッピング像において、Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数に対するＮｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合は、それぞれ４．３％、７．１％、７．４％、７．８％及び８．１％であり、これらの平均値は６．９４％であった。摩擦摩耗試験の結果、試験片の摩耗量は３．３ｍｇであり、摩擦係数は０．２５であった。試験後の試験片表面を観察したところ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される算術平均粗さＲａは１．２１μｍ、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠して測定される十点平均粗さＲｚｊｉｓは７．５４μｍであった。試験片由来の摩耗粉の粒径は３７μｍであった。

Claims (11)

1. Ｎｉ：５～２５重量％、
   Ｓｎ：５～１０重量％、
   Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、
   Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに
   残部Ｃｕ及び不可避不純物
   からなる、銅合金であって、前記銅合金に、Ｎｉ－Ｍ金属間化合物を含むＮｉ基金属間化合物粒子が生成しており、前記銅合金の単位面積１ｍｍ^２当たりに存在する前記Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数が、１．０×１０^３～１．０×１０^６個である、銅合金。
2. 前記銅合金が０．４以下の摩擦係数を有する、請求項１に記載の銅合金。
3. 前記元素ＭがＺｒである、請求項１又は２に記載の銅合金。
4. 前記元素ＡがＭｎである、請求項１～３のいずれか一項に記載の銅合金。
5. 前記元素Ａの合計含有量が０．１０～０．４０重量％である、請求項１～４のいずれか一項に記載の銅合金。
6. 前記Ｎｉ基金属間化合物粒子が、０．１～１００μｍの粒径を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の銅合金。
7. ０．１μｍ以上の粒径を有する前記Ｎｉ基金属間化合物粒子の個数全体に占める、０．１μｍ以上の粒径を有する前記Ｎｉ－Ｍ金属間化合物粒子の個数の割合が、１．０～３０％である、請求項１～６のいずれか一項に記載の銅合金。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の銅合金の製造方法であって、
   Ｎｉ：５～２５重量％、
   Ｓｎ：５～１０重量％、
   Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ｍ：合計で０．０１～０．３０重量％、
   Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも１種の元素Ａ：合計で０．０１～１．００重量％、並びに
   残部Ｃｕ及び不可避不純物
   からなる、原料合金を溶解及び鋳造して、鋳塊とする工程と、
   前記鋳塊を熱間加工又は冷間加工して、中間品とする工程と、
   前記中間品に対して、ｉ）熱処理、ｉｉ）熱間加工又は冷間加工、及びｉｉｉ）溶体化をこの順に施すことにより、加工熱処理を行う工程と、
   前記加工熱処理後の中間品を時効処理して、前記銅合金を得る工程と、
   を含む、銅合金の製造方法。
9. 前記熱処理が、前記中間品を５００～９５０℃で２～２４時間保持することにより行われる、請求項８に記載の銅合金の製造方法。
10. 前記溶体化が、前記中間品を７００～１０００℃で５秒～２４時間保持することにより行われる、請求項８又は９に記載の銅合金の製造方法。
11. 前記加工熱処理後であって、前記時効処理前に、前記中間品を仕上げ熱間加工又は仕上げ冷間加工する工程をさらに含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載の銅合金の製造方法。

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