JP3563311B2 - 抵抗溶接用銅合金電極材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、抵抗溶接用銅合金電極材料及びその関連治具、その他に使用する銅合金で、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格に該当する電極材料及びその製造方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、抵抗溶接用銅合金電極材料の規格である、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格に適合する電極材料として、ＢｅＣｕ５０合金又はＢｅＣｕ１０合金が使用されてきた。これらの合金は、抵抗溶接用銅合金電極材料（以後電極材料と言う）としての機械的性質及び物理的性質を満足させているとともに、高温硬さ、焼鈍硬さと言った耐熱性、その他の材質的な性質も良好で、現在も使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の合金に含まれるＢｅは、人体や環境に対して有害の懸念があるため、このＢｅを含まない電極材料が要求されている。また、周知の如くＢｅは高価な原料であるため、コストダウンのためにもＢｅを添加しない電極材料の製造が求められている。
【０００４】
そこで、本発明者は、有害の懸念のあるＢｅを含まない、無公害な材料で、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格を満足させる電極材料を、低コストに製造しようと試みた。そして、これに該当するものとして、コルソン合金に着目した。このコルソン合金は、ＮｉとＳｉをＣｕにバランス良く添加する事により、Ｎｉ２ＳｉをＣｕマトリックスに形成させるものである。そして、このＮｉ２Ｓｉを多く添加する事により、電極材料として使用した場合、機械的性質と耐熱性が向上するが、導電率が低くなるため、ＮｉとＳｉの添加だけでは電極材料として好ましくなかった。
【０００５】
本発明者は、上述の如き課題を解決するため、前記コルソン合金にＢｅ以外の無公害の添加元素を加え、導電率を低下させる事なく、引張強さや伸び率、硬さ等の機械的性質を向上させ、しかも優れた耐熱性を有し、電極材料としての使用に適した材料を得ようとするものである。
【０００６】
そして、本発明では、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格に基づいて、目標とする機械的性質や導電率の規格は、以下の通りとした。
引張強さ ＞６９０ Ｎ／ｍｍ ２
伸び率 ＞１０％
硬さ（ロックウエル硬さ） ＞９２ＨＲＢ
導電率 ＞４５ＩＡＣＳ％
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の如き課題を解決するため、第１の発明は、Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなるものである。
【０００８】
また、第２の発明は、Ｎｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなるものである。
【０００９】
また、第３の発明は、Ｎｉ１．８６〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなるものである。
【００１０】
また、本発明の抵抗溶接用銅合金電極材料は、上記各配合割合の材料を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施した後、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施し、次に時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施して製造するものである。
【００１１】
【作用】
本発明は上述の如く構成したもので、コルソン合金に、ＣｒとＳｎとを添加する事により、前記ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格を満足させるとともに、無公害で経済的な抵抗溶接用銅合金電極材料を得る事ができる。即ち、前述の如く、コルソン合金は、Ｎｉ２Ｓｉの添加量を多くしただけでは、機械的性質と耐熱性は向上するが、導電率に劣るものである。そこで、本発明者は、Ｃｒを添加する事により、析出強化を行い易くするよう試みた。このようにＣｒを添加して適当な熱処理と加工を施す事により、ある程度の機械的性質と導電率のバランスが取れる事が判明した。しかし、溶解方法、熱処理方法、塑性加工方法をいろいろ試みて実験を行った結果、Ｃｒを添加しただけでは、機械的性質や導電率が今ひとつ安定せず、経済性にも十分に満足するものではなかった。
【００１２】
これらの問題を解決するため、少量の添加量で導電率を落とさずに、機械的性質を安定させ、目標規格を十分満足させるような添加元素がないかと試みた。すると、添加元素としてＳｎを添加し、熱処理条件をコントロールしながら冷間塑性加工を一定以上に加える事により、前記目標規格を満たすとともに経済的な電極材料を得る事ができた。
【００１３】
次に、Ｃｕ以外の各元素の添加量及び効用について説明する。各添加元素は、Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％の配合割合でＣｕに添加する。即ち、Ｎｉは、Ｃｕと溶け合って、機械的性質を向上させるのに役立つ、基本的な添加元素である。そして、この添加量が、１．５ｗｔ％よりも少ないと、Ｓｉその他の添加元素との関係で、Ｎｉ２Ｓｉの形成も少なくなるし、Ｃｒとのバランスがとれなくなるため、目標規格の機械的性質を満足する事ができない。反対に、Ｎｉを３．０ｗｔ％よりも多く添加すると、導電率が悪くなる。従って、Ｎｉは１．５〜３．０ｗｔ％で添加する必要がある。
【００１４】
また、Ｓｉは、Ｎｉと化合する事によりＮｉ２Ｓｉとなるとともに、Ｃｒとも化合する事によりクロムケイ化物を形成する。そのため、導電率を落とさず機械的性質、耐熱性、耐高温酸化性を向上させる事ができる。このＳｉの添加量が０．４ｗｔ％よりも少ないと、ＮｉやＣｒとの化合が良好に行われず、機械的性質を向上させる事ができない。また、それに見合った導電率も達成できない。また、Ｓｉの添加量が０．８ｗｔ％よりも多いと、ケイ化物が過剰に形成されるので、銅合金が脆くなり、伸びが減少するとともに機械的強度の向上も望めない。従って、Ｓｉは０．４〜０．８ｗｔ％で添加する必要がある。
【００１５】
また、Ｃｒは、Ｃｕと溶け合い熱処理を施す事により、析出強化を促進するものである。また、前述の如く、Ｃｒの一部はＳｉと化合する事により、クロムケイ化物を形成し、導電率を落とさずに機械的性質、耐熱性の向上に寄与する。また、ＣｒとＣｕが析出強化する事により、機械的性質を向上させるとともに、導電率も優れたものとなる。また、このＣｒの添加量は、ＮｉとＳｉの各添加量とのバランスを考慮する必要がある。即ち、Ｃｒの添加量が０．５ｗｔ％よりも少ないと、十分な析出強化が生じないし、Ｎｉ及びＳｉの添加量に対するバランスが悪くなるので、導電率が低下するものとなる。
【００１６】
また、材料の溶解を経済的な大気溶解で行う場合、適宜のフラックスを添加して、溶解作用の改善を行っている、しかしながら、Ｃｒの添加量が１．５ｗｔ％よりも多いと、ＳｉとＣｒの化合したクロムケイ化物が過剰となる。そのため、ノロが多く発生するとともに、Ｃｒの添加歩留まりも悪くなり、不経済である。また、これらが原因で、結果的に材料の機械的性質も悪くなり、切削性が低下して機械加工を良好に行えなかったり、品質管理に重要な化学分析も行いにくいものとなる。従って、Ｃｒは０．５〜１．５ｗｔ％で添加するとともに、Ｎｉ及びＳｉの添加量との配合バランスを考慮して添加量を決定するのが好ましい。
【００１７】
また、Ｓｎは、後述する熱処理による焼き入れ後の、冷間塑性加工の性能を促進させる効果を持つものである。しかも、同時に添加したＳｉに比べ、導電率を低下させにくいため、冷間塑性加工の促進効果と相乗して、本発明の銅合金の重要な目標である、導電率を低下させる事なく、機械的性質を向上させる事が可能となる。即ち、前述の添加元素である、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｒだけでは、前記目標規格の機械的性質及び導電率が安定して得られないので、それを補う役目を果たす必須な元素である。
【００１８】
また、本銅合金は、ＮｉとＳｉを添加しているので、耐高温酸化性は元々良好であるが、Ｓｎを添加する事により、電極材料としての耐高温酸化性を更に向上させる事ができる。また、Ｃｕ−Ｓｎ合金は、周知の如く耐食性が良好である。また、前述の如くＮｉ２Ｓｉも優れた耐熱性を持つものである。これらの相乗効果により、本銅合金は、耐高温酸化性が更に向上するものとなる。
【００１９】
そして、Ｓｎの添加量は、０．１〜０．３ｗｔ％とする。この添加量が０．１ｗｔ％よりも少ないと、この耐高温酸化性を十分に向上させる事ができないし、焼き入れ後の冷間塑性加工の性能の向上も十分に発揮できない。また、Ｓｎを０．３ｗｔ％よりも多く添加すると、他の添加元素との関係で、導電率を悪くするとともに熱間塑性加工性も低下する。
【００２０】
尚、前記添加元素は、好ましくはＮｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％の配合割合で、Ｃｕに添加する。また、更に好ましくは、Ｎｉ１．８６〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％の配合割合で、Ｃｕに添加する。
【００２１】
以上のような組成で、抵抗溶接用銅合金電極材料を製造する方法は、まず前記配合割合の組成物を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施す。この温度が８５０℃よりも低いと、銅合金としての焼き入れ効果が十分でなく、９５０℃よりも高いと、オーバーヒートにより結晶が粗大化し易くなる。
【００２２】
次に、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施す。この冷間塑性加工率が３５％よりも低いと、銅合金の機械的性質を満足させず、電極材料として好ましくない。また、冷間塑性加工率が９０％よりも高いと、機械的性質の伸び率が低くなるため、やはり電極材料として好ましくない。その後、時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施す事により、電極材料製造用の銅合金を形成する事ができる。この時効処理温度に関しても、４５０℃よりも低いと、十分な析出ができず、機械的性質及び導電率も低いものとなり、５５０℃よりも高いと、オーバー時効となる。
【００２３】
上述の如く形成する事により、当初の目標規格を満足する、機械的性質及び導電率に優れた電極材料を得る事ができる。また、有害の懸念があり高価なＢｅを含有していないので、無公害で廉価な製品を得る事ができる。そして、その製造も、容易な製造方法で廉価に形成する事ができる。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例及び比較例の銅合金に付いて、各材料及び配合割合を下記表１に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
上記表１に示す材料を各々用意し、各実施例及び比較例ごとに黒鉛ルツボに充填した。そして、材料を充填した上面を木炭でカバーし、黒鉛ルツボを高周波電気炉にセットして溶解処理を行った。前記材料のうち、Ｓｉに関しては、Ｓｉ（１０％）−Ｃｕ母合金を、Ｚｒに関しては、Ｚｒ（５０％）−Ｃｕ母合金を各々用意して使用した。また、添加元素ごとに、各々有効なフラックスを用いながら、１２００℃以上の温度で溶解処理を行った。
【００２７】
次に、前記溶解物を内径φ８０ｍｍの金型枠に注入し、４００ｋｇ／ｃｍ２の圧力を掛けながら、鋳塊を製作した。そして、出来上がった鋳塊の外周に、機械加工にて面削を行った後、温度８５０℃の熱間鍛造にて丸棒形状に加工した。尚、この丸棒の寸法は、後工程の冷間塑性加工率（後記の表２を参照）に応じて、各々外径寸法が異なる丸棒とし、冷間塑性加工後に同寸法となるようにした。
【００２８】
そして、上記丸棒に、９００℃の温度で溶体化処理を施す。この溶体化処理後に、丸棒の外周を目で確認しながら、研削機（ベビーサンダー）にてキズがある部分を研削した。
【００２９】
次に、丸棒に冷間塑性加工を施すが、第８乃至第１３比較例、及び第１５比較例に関しては、この加工を施さなかった。そして、他の比較例及び全実施例に関しては、元の断面積に対する冷間塑性加工率が表２で示す値にて、それぞれ冷間塑性加工を施した。尚、冷間塑性加工率が２７％のものは、冷間鍛造にて冷間塑性加工を行い、冷間加工率が３５％以上のものは、引抜加工にて行った。そして、冷間塑性加工の有無に関わらず、全て最終寸法がφ２５ｍｍ又はφ３０ｍｍの丸棒となるようにした。
【００３０】
その後、前記丸棒を電熱熱風炉に挿入し、５２０℃の温度で時効処理を行った。
【００３１】
上述の如く製作した、丸棒形状の銅合金から、ＪＩＳ４号試験片を製作し、その機械的性質と導電率を測定した。その試験結果を、下記表２に示す。尚、この表２には、各実施例及び比較例に対する冷間塑性加工率及び、目標とする規格も記した。この目標規格とは、前述の如く、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格をベースに、電極材料としての使用を考慮した数値である。
【００３２】
【表２】
【００３３】
また、前記表１の銅合金より抜粋したものから、φ２５ｍｍ、Ｌ２０ｍｍの試験片を採取して、高温硬さ試験及び焼鈍硬さ試験を行った。これらの試験は、第１乃至第５実施例と、第１乃至第６比較例、第８比較例、第１２乃至第１３比較例及び第１５比較例の銅合金に付いて行った。この高温硬さ試験の結果を表３に、焼鈍硬さ試験の結果を表４に示す。また、各々の測定値は、ブリネル硬さＨＢ（１０／５００）で示した。
【００３４】
【表３】
【００３５】
【表４】
【００３６】
上記各試験結果から、本発明の実施例の効果について述べる。まず、表１の成分配合例は、各々の材料を配合して鋳造された鋳塊より、分析試料を採取して分析を行った結果の数値である。そのため、鋳造時のフラックスの混合やノロの発生等により、目標とする配合割合の値と僅かに誤差を生じている。そして、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｇに付いては、誤差が多少大きかったが、全体的には問題はなく、特にＮｉとＳｎに関しては、目標値との誤差は殆どなかった。
【００３７】
次に、表２の機械的性質、導電率の試験結果に付いて、表１の配合割合とともに以下に説明する。まず、第１乃至第３比較例は、ＮｉとＳｉの添加量を同量とし、Ｃｒの添加量を変えて試験を行ったものである。これらは全て、実施例よりもＣｒの添加量が少ないが、組成物中でＮｉ２Ｓｉの形成が良好に行われているため、機械的性質は、目標規格を満足している。しかしながら、導電率は目標規格に達しなかった。この原因として、冷間塑性加工率が３５％以下である事の影響もあると思われる。また、Ｃｒの添加量の減少に比例して、引張強さが低下しているのが分かる。
【００３８】
また、第４乃至第６比較例は、第１乃至第３比較例と同様に、Ｃｒの添加量を少なくした例であるが、更にＮｉとＳｉの添加量も少なくして、導電率を向上しようと試みたものである。その結果、導電率は全て目標規格を満足したが、機械的性質は、目標規格に達しなかった。
【００３９】
また、第７比較例は、Ｍｇを添加する事により、析出強化の促進と、溶解時の他の添加元素の脱酸効果の促進を実現しようと試みた例である。しかしながら、導電率の向上は望めなかった。また、第８、第９比較例は、Ｓｉの添加量を、実施例よりも少なくした例である。この場合は、冷間塑性加工も行わなかった事と相俟って、機械的性質と導電率ともに目標規格を満足できなかった。
【００４０】
また、第１０比較例は、Ｃｒの代わりにＺｒとＡｇを添加した例である。Ｚｒを添加する事により、Ｓｉの添加歩留まりが悪く、鋳造後のＳｉの配合割合が少なくなった。このＳｉの添加量が少ない事と、冷間塑性加工を行わなかった事と相俟って、機械的性質及び導電率のどちらも目標規格を満足できなかった。
【００４１】
また、第１１、第１２比較例では、ＣｒとＺｒを同時に添加させる事により、冷間塑性加工を行わなくても、機械的性質及び導電率の良好な銅合金ができないかと試みたものであるが、結果は目標規格とかけ離れたものであった。また、第１３比較例は、Ｃｒの添加量が各実施例よりも少ないし、冷間塑性加工も行っていないため、やはり機械的性質と導電率ともに目標規格を満足できなかった。
【００４２】
また、第１４比較例に付いても、Ｃｒの添加量を各実施例より少なくしているが、この場合は高い冷間塑性加工率で冷間塑性加工を実施している。しかしながら、導電率の目標規格を満足させるため、ＮｉとＳｉの添加量を抑えているとともに、Ｃｒの添加量も少ないため、相乗効果により引張強さが目標規格を下回った。また、第１５比較例は、Ｃｒの添加量が各実施例より少なく、冷間塑性加工も行っていないため、やはり引張強さが目標規格を満足していなかった。
【００４３】
更に、上記第１乃至第１５比較例では、Ｓｎを添加していないため、各元素の添加量が互いにアンバランスであり、各元素の添加量の違いによる、機械的性質と導電率の測定結果の関連性が不明瞭であった。そのため、今ひとつ機械的性質と導電率が安定したものを得る事ができなかった。
【００４４】
そこで、第１６比較例では、Ｓｎを添加して冷間塑性加工を行った。しかし、それにもかかわらず、ＮｉとＣｒの添加量に対し、Ｓｉの添加量が少なくてバランスが悪いため、引張強さが目標規格に達しなかった。
【００４５】
上述の如き第１乃至第１６比較例に対して、本発明の第１乃至第７実施例の銅合金は、表２に示す如く、機械的性質及び導電率とも目標規格を十分に満足するものであった。この測定結果より、少なくともＮｉ１．８６〜２．４５ｗｔ％、Ｓｉ０．４７〜０．６２ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２４ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２３ｗｔ％の配合割合で各添加元素をＣｕに添加する事により、機械的性質と導電率に優れた銅合金を得られる事が分かった。
【００４６】
また、このような銅合金を得るためには、前述の如く、ＮｉとＣｒの添加量に対するＳｉの添加量のバランスも重要である。即ち、ＮｉとＣｒの合計添加量を１とした場合、第１６比較例では、Ｓｉの添加比率は０．１２であった。これに対して、第１乃至第７実施例では、それぞれ０．１５、０．２、０．１９、０．１９、０．１９、０．１５、０．１９であった。従って、ＮｉとＣｒの合計添加量を１とした場合のＳｉの添加比率は、少なくとも０．１５〜０．２の範囲とするのが好ましい。また、鋳造時の誤差等を考慮して、０．１５〜０．２５の範囲で添加しても良い。
【００４７】
また、表３の高温硬さの測定試験及び表４の焼鈍硬さの測定試験は、電極材料としての耐熱性を調べるためのものである。そして、この常温硬さと高温硬さに寄与する添加元素として、ＮｉとＳｉがその役目を殆ど果たしているため、表３に示す如く、各比較例と実施例では、第１２比較例を除き、常温硬さと高温硬さの値に殆ど差がなかった。
【００４８】
但し、ＮｉとＳｉの添加量が少ない第４乃至第６比較例は、常温硬さは低いが、基本的な耐熱性は維持しており、温度に対する高温硬さの下降カーブは、他の試料と同様の下降カーブを描いている。また、前述の例外である第１２比較例は、Ｚｒを添加しており、大気溶解に於いてＣｒとＳｉとＺｒの合金化が良好に行われなかったため、組成物中にはＮｉ２Ｓｉがうまく形成できず、機械的性質に劣るものとなった。従って、ＣｒとＳｉとＺｒとを組み合わせた添加元素は、本発明の目的からすれば不適切であると言える。また、このようにＮｉ２Ｓｉの形成がうまくできていない故に、表３に示す如く高温硬さにも劣るものとなっている。
【００４９】
また、表３の結果と表４との結果を比較した場合、次のような関連性がある。即ち、通常の電極材料は、分散強化銅を除き、高温硬さと焼鈍硬さは関連性があって、高温硬さに優れているものは、焼鈍硬さも優れていると言える。そして、本発明でも、同様の測定結果が得られた。そして、この測定結果より、少なくともＮｉ１．９９〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％の配合割合で各添加元素をＣｕに添加する事により、機械的性質と導電率だけでなく、耐熱性にも優れたものとなり、電極材料としての使用に適した銅合金を得られる事が分かった。
【００５０】
尚、各添加元素の配合割合は、上記が最も好ましいが、Ｎｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％で添加しても、優れた電極材料を得る事ができる。更に範囲を広くして、Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％とする事も可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に於いては上述の如く、ＣｕにＮｉ、Ｓｉ、Ｃｒ及びＳｎを添加する事により、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格の機械的性質及び導電率を満足させるとともに、電極材料として重要な耐熱性にも優れた銅合金を得る事ができる。また、電極材料としての最適の条件を備えた銅合金を、有害の懸念があるとともに高価なＢｅを添加しないで形成する事ができる。しかも、このような廉価で安全な電極材料を、容易な製造方法で得る事ができる。
【産業上の利用分野】
本発明は、抵抗溶接用銅合金電極材料及びその関連治具、その他に使用する銅合金で、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格に該当する電極材料及びその製造方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、抵抗溶接用銅合金電極材料の規格である、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格に適合する電極材料として、ＢｅＣｕ５０合金又はＢｅＣｕ１０合金が使用されてきた。これらの合金は、抵抗溶接用銅合金電極材料（以後電極材料と言う）としての機械的性質及び物理的性質を満足させているとともに、高温硬さ、焼鈍硬さと言った耐熱性、その他の材質的な性質も良好で、現在も使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の合金に含まれるＢｅは、人体や環境に対して有害の懸念があるため、このＢｅを含まない電極材料が要求されている。また、周知の如くＢｅは高価な原料であるため、コストダウンのためにもＢｅを添加しない電極材料の製造が求められている。
【０００４】
そこで、本発明者は、有害の懸念のあるＢｅを含まない、無公害な材料で、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格を満足させる電極材料を、低コストに製造しようと試みた。そして、これに該当するものとして、コルソン合金に着目した。このコルソン合金は、ＮｉとＳｉをＣｕにバランス良く添加する事により、Ｎｉ２ＳｉをＣｕマトリックスに形成させるものである。そして、このＮｉ２Ｓｉを多く添加する事により、電極材料として使用した場合、機械的性質と耐熱性が向上するが、導電率が低くなるため、ＮｉとＳｉの添加だけでは電極材料として好ましくなかった。
【０００５】
本発明者は、上述の如き課題を解決するため、前記コルソン合金にＢｅ以外の無公害の添加元素を加え、導電率を低下させる事なく、引張強さや伸び率、硬さ等の機械的性質を向上させ、しかも優れた耐熱性を有し、電極材料としての使用に適した材料を得ようとするものである。
【０００６】
そして、本発明では、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格に基づいて、目標とする機械的性質や導電率の規格は、以下の通りとした。
引張強さ ＞６９０ Ｎ／ｍｍ ２
伸び率 ＞１０％
硬さ（ロックウエル硬さ） ＞９２ＨＲＢ
導電率 ＞４５ＩＡＣＳ％
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の如き課題を解決するため、第１の発明は、Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなるものである。
【０００８】
また、第２の発明は、Ｎｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなるものである。
【０００９】
また、第３の発明は、Ｎｉ１．８６〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなるものである。
【００１０】
また、本発明の抵抗溶接用銅合金電極材料は、上記各配合割合の材料を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施した後、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施し、次に時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施して製造するものである。
【００１１】
【作用】
本発明は上述の如く構成したもので、コルソン合金に、ＣｒとＳｎとを添加する事により、前記ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格を満足させるとともに、無公害で経済的な抵抗溶接用銅合金電極材料を得る事ができる。即ち、前述の如く、コルソン合金は、Ｎｉ２Ｓｉの添加量を多くしただけでは、機械的性質と耐熱性は向上するが、導電率に劣るものである。そこで、本発明者は、Ｃｒを添加する事により、析出強化を行い易くするよう試みた。このようにＣｒを添加して適当な熱処理と加工を施す事により、ある程度の機械的性質と導電率のバランスが取れる事が判明した。しかし、溶解方法、熱処理方法、塑性加工方法をいろいろ試みて実験を行った結果、Ｃｒを添加しただけでは、機械的性質や導電率が今ひとつ安定せず、経済性にも十分に満足するものではなかった。
【００１２】
これらの問題を解決するため、少量の添加量で導電率を落とさずに、機械的性質を安定させ、目標規格を十分満足させるような添加元素がないかと試みた。すると、添加元素としてＳｎを添加し、熱処理条件をコントロールしながら冷間塑性加工を一定以上に加える事により、前記目標規格を満たすとともに経済的な電極材料を得る事ができた。
【００１３】
次に、Ｃｕ以外の各元素の添加量及び効用について説明する。各添加元素は、Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％の配合割合でＣｕに添加する。即ち、Ｎｉは、Ｃｕと溶け合って、機械的性質を向上させるのに役立つ、基本的な添加元素である。そして、この添加量が、１．５ｗｔ％よりも少ないと、Ｓｉその他の添加元素との関係で、Ｎｉ２Ｓｉの形成も少なくなるし、Ｃｒとのバランスがとれなくなるため、目標規格の機械的性質を満足する事ができない。反対に、Ｎｉを３．０ｗｔ％よりも多く添加すると、導電率が悪くなる。従って、Ｎｉは１．５〜３．０ｗｔ％で添加する必要がある。
【００１４】
また、Ｓｉは、Ｎｉと化合する事によりＮｉ２Ｓｉとなるとともに、Ｃｒとも化合する事によりクロムケイ化物を形成する。そのため、導電率を落とさず機械的性質、耐熱性、耐高温酸化性を向上させる事ができる。このＳｉの添加量が０．４ｗｔ％よりも少ないと、ＮｉやＣｒとの化合が良好に行われず、機械的性質を向上させる事ができない。また、それに見合った導電率も達成できない。また、Ｓｉの添加量が０．８ｗｔ％よりも多いと、ケイ化物が過剰に形成されるので、銅合金が脆くなり、伸びが減少するとともに機械的強度の向上も望めない。従って、Ｓｉは０．４〜０．８ｗｔ％で添加する必要がある。
【００１５】
また、Ｃｒは、Ｃｕと溶け合い熱処理を施す事により、析出強化を促進するものである。また、前述の如く、Ｃｒの一部はＳｉと化合する事により、クロムケイ化物を形成し、導電率を落とさずに機械的性質、耐熱性の向上に寄与する。また、ＣｒとＣｕが析出強化する事により、機械的性質を向上させるとともに、導電率も優れたものとなる。また、このＣｒの添加量は、ＮｉとＳｉの各添加量とのバランスを考慮する必要がある。即ち、Ｃｒの添加量が０．５ｗｔ％よりも少ないと、十分な析出強化が生じないし、Ｎｉ及びＳｉの添加量に対するバランスが悪くなるので、導電率が低下するものとなる。
【００１６】
また、材料の溶解を経済的な大気溶解で行う場合、適宜のフラックスを添加して、溶解作用の改善を行っている、しかしながら、Ｃｒの添加量が１．５ｗｔ％よりも多いと、ＳｉとＣｒの化合したクロムケイ化物が過剰となる。そのため、ノロが多く発生するとともに、Ｃｒの添加歩留まりも悪くなり、不経済である。また、これらが原因で、結果的に材料の機械的性質も悪くなり、切削性が低下して機械加工を良好に行えなかったり、品質管理に重要な化学分析も行いにくいものとなる。従って、Ｃｒは０．５〜１．５ｗｔ％で添加するとともに、Ｎｉ及びＳｉの添加量との配合バランスを考慮して添加量を決定するのが好ましい。
【００１７】
また、Ｓｎは、後述する熱処理による焼き入れ後の、冷間塑性加工の性能を促進させる効果を持つものである。しかも、同時に添加したＳｉに比べ、導電率を低下させにくいため、冷間塑性加工の促進効果と相乗して、本発明の銅合金の重要な目標である、導電率を低下させる事なく、機械的性質を向上させる事が可能となる。即ち、前述の添加元素である、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｒだけでは、前記目標規格の機械的性質及び導電率が安定して得られないので、それを補う役目を果たす必須な元素である。
【００１８】
また、本銅合金は、ＮｉとＳｉを添加しているので、耐高温酸化性は元々良好であるが、Ｓｎを添加する事により、電極材料としての耐高温酸化性を更に向上させる事ができる。また、Ｃｕ−Ｓｎ合金は、周知の如く耐食性が良好である。また、前述の如くＮｉ２Ｓｉも優れた耐熱性を持つものである。これらの相乗効果により、本銅合金は、耐高温酸化性が更に向上するものとなる。
【００１９】
そして、Ｓｎの添加量は、０．１〜０．３ｗｔ％とする。この添加量が０．１ｗｔ％よりも少ないと、この耐高温酸化性を十分に向上させる事ができないし、焼き入れ後の冷間塑性加工の性能の向上も十分に発揮できない。また、Ｓｎを０．３ｗｔ％よりも多く添加すると、他の添加元素との関係で、導電率を悪くするとともに熱間塑性加工性も低下する。
【００２０】
尚、前記添加元素は、好ましくはＮｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％の配合割合で、Ｃｕに添加する。また、更に好ましくは、Ｎｉ１．８６〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％の配合割合で、Ｃｕに添加する。
【００２１】
以上のような組成で、抵抗溶接用銅合金電極材料を製造する方法は、まず前記配合割合の組成物を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施す。この温度が８５０℃よりも低いと、銅合金としての焼き入れ効果が十分でなく、９５０℃よりも高いと、オーバーヒートにより結晶が粗大化し易くなる。
【００２２】
次に、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施す。この冷間塑性加工率が３５％よりも低いと、銅合金の機械的性質を満足させず、電極材料として好ましくない。また、冷間塑性加工率が９０％よりも高いと、機械的性質の伸び率が低くなるため、やはり電極材料として好ましくない。その後、時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施す事により、電極材料製造用の銅合金を形成する事ができる。この時効処理温度に関しても、４５０℃よりも低いと、十分な析出ができず、機械的性質及び導電率も低いものとなり、５５０℃よりも高いと、オーバー時効となる。
【００２３】
上述の如く形成する事により、当初の目標規格を満足する、機械的性質及び導電率に優れた電極材料を得る事ができる。また、有害の懸念があり高価なＢｅを含有していないので、無公害で廉価な製品を得る事ができる。そして、その製造も、容易な製造方法で廉価に形成する事ができる。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例及び比較例の銅合金に付いて、各材料及び配合割合を下記表１に示す。
【００２５】
【表１】
上記表１に示す材料を各々用意し、各実施例及び比較例ごとに黒鉛ルツボに充填した。そして、材料を充填した上面を木炭でカバーし、黒鉛ルツボを高周波電気炉にセットして溶解処理を行った。前記材料のうち、Ｓｉに関しては、Ｓｉ（１０％）−Ｃｕ母合金を、Ｚｒに関しては、Ｚｒ（５０％）−Ｃｕ母合金を各々用意して使用した。また、添加元素ごとに、各々有効なフラックスを用いながら、１２００℃以上の温度で溶解処理を行った。
【００２７】
次に、前記溶解物を内径φ８０ｍｍの金型枠に注入し、４００ｋｇ／ｃｍ２の圧力を掛けながら、鋳塊を製作した。そして、出来上がった鋳塊の外周に、機械加工にて面削を行った後、温度８５０℃の熱間鍛造にて丸棒形状に加工した。尚、この丸棒の寸法は、後工程の冷間塑性加工率（後記の表２を参照）に応じて、各々外径寸法が異なる丸棒とし、冷間塑性加工後に同寸法となるようにした。
【００２８】
そして、上記丸棒に、９００℃の温度で溶体化処理を施す。この溶体化処理後に、丸棒の外周を目で確認しながら、研削機（ベビーサンダー）にてキズがある部分を研削した。
【００２９】
次に、丸棒に冷間塑性加工を施すが、第８乃至第１３比較例、及び第１５比較例に関しては、この加工を施さなかった。そして、他の比較例及び全実施例に関しては、元の断面積に対する冷間塑性加工率が表２で示す値にて、それぞれ冷間塑性加工を施した。尚、冷間塑性加工率が２７％のものは、冷間鍛造にて冷間塑性加工を行い、冷間加工率が３５％以上のものは、引抜加工にて行った。そして、冷間塑性加工の有無に関わらず、全て最終寸法がφ２５ｍｍ又はφ３０ｍｍの丸棒となるようにした。
【００３０】
その後、前記丸棒を電熱熱風炉に挿入し、５２０℃の温度で時効処理を行った。
【００３１】
上述の如く製作した、丸棒形状の銅合金から、ＪＩＳ４号試験片を製作し、その機械的性質と導電率を測定した。その試験結果を、下記表２に示す。尚、この表２には、各実施例及び比較例に対する冷間塑性加工率及び、目標とする規格も記した。この目標規格とは、前述の如く、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格をベースに、電極材料としての使用を考慮した数値である。
【００３２】
【表２】
また、前記表１の銅合金より抜粋したものから、φ２５ｍｍ、Ｌ２０ｍｍの試験片を採取して、高温硬さ試験及び焼鈍硬さ試験を行った。これらの試験は、第１乃至第５実施例と、第１乃至第６比較例、第８比較例、第１２乃至第１３比較例及び第１５比較例の銅合金に付いて行った。この高温硬さ試験の結果を表３に、焼鈍硬さ試験の結果を表４に示す。また、各々の測定値は、ブリネル硬さＨＢ（１０／５００）で示した。
【００３４】
【表３】
【表４】
上記各試験結果から、本発明の実施例の効果について述べる。まず、表１の成分配合例は、各々の材料を配合して鋳造された鋳塊より、分析試料を採取して分析を行った結果の数値である。そのため、鋳造時のフラックスの混合やノロの発生等により、目標とする配合割合の値と僅かに誤差を生じている。そして、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｇに付いては、誤差が多少大きかったが、全体的には問題はなく、特にＮｉとＳｎに関しては、目標値との誤差は殆どなかった。
【００３７】
次に、表２の機械的性質、導電率の試験結果に付いて、表１の配合割合とともに以下に説明する。まず、第１乃至第３比較例は、ＮｉとＳｉの添加量を同量とし、Ｃｒの添加量を変えて試験を行ったものである。これらは全て、実施例よりもＣｒの添加量が少ないが、組成物中でＮｉ２Ｓｉの形成が良好に行われているため、機械的性質は、目標規格を満足している。しかしながら、導電率は目標規格に達しなかった。この原因として、冷間塑性加工率が３５％以下である事の影響もあると思われる。また、Ｃｒの添加量の減少に比例して、引張強さが低下しているのが分かる。
【００３８】
また、第４乃至第６比較例は、第１乃至第３比較例と同様に、Ｃｒの添加量を少なくした例であるが、更にＮｉとＳｉの添加量も少なくして、導電率を向上しようと試みたものである。その結果、導電率は全て目標規格を満足したが、機械的性質は、目標規格に達しなかった。
【００３９】
また、第７比較例は、Ｍｇを添加する事により、析出強化の促進と、溶解時の他の添加元素の脱酸効果の促進を実現しようと試みた例である。しかしながら、導電率の向上は望めなかった。また、第８、第９比較例は、Ｓｉの添加量を、実施例よりも少なくした例である。この場合は、冷間塑性加工も行わなかった事と相俟って、機械的性質と導電率ともに目標規格を満足できなかった。
【００４０】
また、第１０比較例は、Ｃｒの代わりにＺｒとＡｇを添加した例である。Ｚｒを添加する事により、Ｓｉの添加歩留まりが悪く、鋳造後のＳｉの配合割合が少なくなった。このＳｉの添加量が少ない事と、冷間塑性加工を行わなかった事と相俟って、機械的性質及び導電率のどちらも目標規格を満足できなかった。
【００４１】
また、第１１、第１２比較例では、ＣｒとＺｒを同時に添加させる事により、冷間塑性加工を行わなくても、機械的性質及び導電率の良好な銅合金ができないかと試みたものであるが、結果は目標規格とかけ離れたものであった。また、第１３比較例は、Ｃｒの添加量が各実施例よりも少ないし、冷間塑性加工も行っていないため、やはり機械的性質と導電率ともに目標規格を満足できなかった。
【００４２】
また、第１４比較例に付いても、Ｃｒの添加量を各実施例より少なくしているが、この場合は高い冷間塑性加工率で冷間塑性加工を実施している。しかしながら、導電率の目標規格を満足させるため、ＮｉとＳｉの添加量を抑えているとともに、Ｃｒの添加量も少ないため、相乗効果により引張強さが目標規格を下回った。また、第１５比較例は、Ｃｒの添加量が各実施例より少なく、冷間塑性加工も行っていないため、やはり引張強さが目標規格を満足していなかった。
【００４３】
更に、上記第１乃至第１５比較例では、Ｓｎを添加していないため、各元素の添加量が互いにアンバランスであり、各元素の添加量の違いによる、機械的性質と導電率の測定結果の関連性が不明瞭であった。そのため、今ひとつ機械的性質と導電率が安定したものを得る事ができなかった。
【００４４】
そこで、第１６比較例では、Ｓｎを添加して冷間塑性加工を行った。しかし、それにもかかわらず、ＮｉとＣｒの添加量に対し、Ｓｉの添加量が少なくてバランスが悪いため、引張強さが目標規格に達しなかった。
【００４５】
上述の如き第１乃至第１６比較例に対して、本発明の第１乃至第７実施例の銅合金は、表２に示す如く、機械的性質及び導電率とも目標規格を十分に満足するものであった。この測定結果より、少なくともＮｉ１．８６〜２．４５ｗｔ％、Ｓｉ０．４７〜０．６２ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２４ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２３ｗｔ％の配合割合で各添加元素をＣｕに添加する事により、機械的性質と導電率に優れた銅合金を得られる事が分かった。
【００４６】
また、このような銅合金を得るためには、前述の如く、ＮｉとＣｒの添加量に対するＳｉの添加量のバランスも重要である。即ち、ＮｉとＣｒの合計添加量を１とした場合、第１６比較例では、Ｓｉの添加比率は０．１２であった。これに対して、第１乃至第７実施例では、それぞれ０．１５、０．２、０．１９、０．１９、０．１９、０．１５、０．１９であった。従って、ＮｉとＣｒの合計添加量を１とした場合のＳｉの添加比率は、少なくとも０．１５〜０．２の範囲とするのが好ましい。また、鋳造時の誤差等を考慮して、０．１５〜０．２５の範囲で添加しても良い。
【００４７】
また、表３の高温硬さの測定試験及び表４の焼鈍硬さの測定試験は、電極材料としての耐熱性を調べるためのものである。そして、この常温硬さと高温硬さに寄与する添加元素として、ＮｉとＳｉがその役目を殆ど果たしているため、表３に示す如く、各比較例と実施例では、第１２比較例を除き、常温硬さと高温硬さの値に殆ど差がなかった。
【００４８】
但し、ＮｉとＳｉの添加量が少ない第４乃至第６比較例は、常温硬さは低いが、基本的な耐熱性は維持しており、温度に対する高温硬さの下降カーブは、他の試料と同様の下降カーブを描いている。また、前述の例外である第１２比較例は、Ｚｒを添加しており、大気溶解に於いてＣｒとＳｉとＺｒの合金化が良好に行われなかったため、組成物中にはＮｉ２Ｓｉがうまく形成できず、機械的性質に劣るものとなった。従って、ＣｒとＳｉとＺｒとを組み合わせた添加元素は、本発明の目的からすれば不適切であると言える。また、このようにＮｉ２Ｓｉの形成がうまくできていない故に、表３に示す如く高温硬さにも劣るものとなっている。
【００４９】
また、表３の結果と表４との結果を比較した場合、次のような関連性がある。即ち、通常の電極材料は、分散強化銅を除き、高温硬さと焼鈍硬さは関連性があって、高温硬さに優れているものは、焼鈍硬さも優れていると言える。そして、本発明でも、同様の測定結果が得られた。そして、この測定結果より、少なくともＮｉ１．９９〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％の配合割合で各添加元素をＣｕに添加する事により、機械的性質と導電率だけでなく、耐熱性にも優れたものとなり、電極材料としての使用に適した銅合金を得られる事が分かった。
【００５０】
尚、各添加元素の配合割合は、上記が最も好ましいが、Ｎｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％で添加しても、優れた電極材料を得る事ができる。更に範囲を広くして、Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％とする事も可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に於いては上述の如く、ＣｕにＮｉ、Ｓｉ、Ｃｒ及びＳｎを添加する事により、ＪＩＳ Ｚ ３２３４ 第３種規格の機械的性質及び導電率を満足させるとともに、電極材料として重要な耐熱性にも優れた銅合金を得る事ができる。また、電極材料としての最適の条件を備えた銅合金を、有害の懸念があるとともに高価なＢｅを添加しないで形成する事ができる。しかも、このような廉価で安全な電極材料を、容易な製造方法で得る事ができる。
Claims (6)
- Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなる事を特徴とする抵抗溶接用銅合金電極材料。
- Ｎｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなる事を特徴とする抵抗溶接用銅合金電極材料。
- Ｎｉ１．８６〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなる事を特徴とする抵抗溶接用銅合金電極材料。
- Ｎｉ１．５〜３．０ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ０．１〜０．３ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなる銅合金を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施した後、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施し、次に時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施して製造した事を特徴とする抵抗溶接用銅合金電極材料の製造方法。
- Ｎｉ１．８〜２．５ｗｔ％、Ｓｉ０．４〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ０．５〜１．３ｗｔ％、Ｓｎ０．１３〜０．２５ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなる銅合金を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施した後、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施し、次に時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施して製造した事を特徴とする抵抗溶接用銅合金電極材料の製造方法。
- Ｎｉ１．８６〜２．４３ｗｔ％、Ｓｉ０．４９〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ０．５３〜１．２ｗｔ％、Ｓｎ０．１４〜０．２ｗｔ％を含有し、残部が不可避的な不純物を除くＣｕよりなる銅合金を、溶体化処理温度８５０〜９５０℃で溶体化処理を施した後、冷間塑性加工率が元の断面積に対し、３５％〜９０％で冷間塑性加工を施し、次に時効処理温度４５０〜５５０℃で時効処理を施して製造した事を特徴とする抵抗溶接用銅合金電極材料の製造方法。
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