JP3566735B2 - Ａｌ合金板の点溶接電極用合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車産業等で使用されるアルミ合金板を点溶接する際の長寿命の電極用銅合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
アルミ合金板の点溶接における電極の寿命低下は、自動車生産において大きな問題であり、長寿命の点溶接電極が要望されている。この点溶接電極の寿命を改善する手段として、電極材の導電率、熱伝導率、耐熱性等の特性向上が必要と考えられる。例えば、Ｃｕ中に 0.8wt％程度のＣｒを含有させ、析出硬化を利用して強化させたＣｕ−Ｃｒ合金、或いは、Ｃｕ中にＡｌ2 Ｏ3 やＴｉＯ2 等の酸化物粒子を約１wt％程度添加し、分散させた粒子分散型Ｃｕ合金が使用されている。
【０００３】
しかしながら、これらの合金は上記要請を十分満足するまでには至っていない。殊に、アルミ合金板の点溶接において、ＡｌとＣｕが反応して、脆い合金層が形成され、この合金層が剥離していく現象が生じる為、電極の消耗が著しくなるという問題がクローズアップされている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、このような現象を解明するために、Ａｌ合金板と１％Ｃｒ−Ｃｕ合金電極（キャップチップタイプＤＲ型）の溶接状況を調べた。先ず、電極の温度分布を調べるために断面硬さ分布を測定した結果、電極先端において極表層の数10μｍだけが軟化し、内部は連続打点前と同等であることが確認された。この結果を基に発熱温度を推定すると 500〜600 ℃となる。
【０００５】
また、電極表面にはＡｌとＣｕの反応層が検出され、一方、電極に付着したＡｌ合金層においてＡｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｃｒの反応層が検出されている（特にＡｌとＣｕの反応が顕著）。この反応層から、Ａｌ−Ｃｕ系の包晶反応温度(548℃以上）、Ａｌ中へのＣｕ拡散、Ａｌ中へのＣｒ拡散性から発熱温度を推定すると550 〜600 ℃となる。以上のことを踏まえて、電極先端部の発熱温度は550〜600 ℃と推定された。
【０００６】
また、電極表面を詳細に調査すると電極表面の粒界及び浮遊Ｃｒ粒子が、ピックアップ時にＡｌ合金板側に引き剥されて電極表面から脱離しているのが認められる。
【０００７】
以上の結果、Ａｌ合金板の点溶接において、電極表面が 550〜600 ℃に発熱して、ＡｌとＣｕ及びＣｒとの反応が進行して反応層が生成され、溶接終了時のピックアップにより、この反応層が電極表面の粒界及び浮遊Ｃｒ粒子を引き剥す形で脱落して表面の損耗が進行するものと推定された。
【０００８】
本発明はこれに鑑み検討の結果、溶接電極として要求される熱伝導性、導電性が良好で高温強度、高温耐熱性に優れた長寿命のＡｌ合金板の点溶接電極用合金を開発したものである。
【０００９】
即ち、本発明の第１の合金は、Ｃｒ： 5.0 〜 20wt% と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に 800 〜 1050 ℃で溶体化処理を行った後、 400 〜 550 ℃で時効処理を行うことにより得られ、かつ晶出Ｃｒの粒径が 0.1 〜 70 μｍであって、マトリックスの結晶粒径が 0.1 〜 50 μ m であることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の第２の合金はＣｒ： 5.0 〜 20wt% を含有し、さらにＳｉ，Ｐ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｒの内の 1 種又は 2 種以上をそれぞれ 3wt% 以下と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に 800 〜 1050 ℃で溶体化処理を行った後、 400 〜 550 ℃で時効処理を行うことにより得られ、かつ晶出Ｃｒの粒径が 0.1 〜 70 μｍであって、マトリックスの結晶粒径が 0.1 〜 50 μ m であることを特徴とするものである。
【００１１】
また本発明の電極は上記高強度、導電性銅合金の棒状電極の外周を、内径／外径の比が 0.4〜0.7 となる銅又は銅合金外皮で被覆してもよい。
【００１２】
さらに本発明銅合金の製造方法は、インゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に800〜1050℃で溶体化処理を行った後、400〜550℃で時効処理を行うものである。
【００１３】
【作用】
本発明の電極用銅合金は上記の如く、Ｃｒ：5.0〜20%と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し残部Ｃｕと不可避的不純物からなるものを主な構成要素としており、晶出したＣｒが溶接熱により電極表面で酸化して被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板との反応を防止し、溶接中に酸化物が離脱しても、溶接熱で電極表面のＣｒが酸化して再生機能を有することに特徴がある。
【００１４】
そして第１の本発明合金はＣｒ：5.0〜20%と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含むＣｕ基合金であり、これはＣｒがＣｕマトリックス中に晶出して分散されていれば、熱伝導性及び電気伝導性を余り低下させずに高強度と高温耐熱性を持つことが可能であることを見いだしたからである。
【００１５】
即ち、本来Ｃｕ−Ｃｒ合金のＣｒ固溶限界量は 0.8％で、それ以上添加しても析出硬化には寄与しないものである。そこで、本発明合金はＣｒを固溶限以上に添加し、Ｃｕマトリックス中にＣｒを晶出分散させることにより、このＣｒが溶接熱により電極表面で酸化するので、表面においてＣｕ−Ｃｒ析出硬化型合金のマトリックス中にＣｒ酸化物が分散した複合材料となっているものである。従って、電極と被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板との反応を防止し、溶接中に酸化物が脱離しても溶接熱で電極表面のＣｒが酸化して再生機能を有するものである。
【００１６】
しかして、Ｃｒの添加量を5.0〜20%と限定したのは、Ｃｒ：5.0％未満では析出硬化にだけ使用され、Ｃｒ酸化物形成量が微量のため再生機能の効果が不十分となり、20％を超えるとＣｕ本来の熱伝導率と導電率を低下させるためてある。尚、この合金は必要に応じて酸素雰囲気下で熱処理を施しても良い。
【００１７】
次に第２の本発明合金であるＣｒ：5.0〜20％と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、さらにＳｉ，Ｐ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｒの内1種又は2種以上をそれぞれ３％以下含有したＣｕ基合金における成分組成範囲を限定した理由を以下に説明する。
【００１８】
・Ｃｒ：上記と同様の理由による。
【００１９】
・Ｓｉ：強度向上に寄与する元素であり、３％を越えると導電率が低下すると共に熱間加工性が悪くなる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２０】
・Ｐ：焼き入れ処理を容易にする効果があり、３％を越えると粒界に偏析して耐食性を低下させると同時に導電率が悪くなる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２１】
・Ｍｇ：不可避的に混入してくるＳを、安定したＭｇとの化合物ＭｇＳとして母相中に固定し熱間加工性を向上させる元素である。しかして３％を越えると鋳塊中にＣｕ＋ＭｇＣｕ2 の共晶を生成し、 722℃以上の温度に加熱すると割れを生じ、熱間加工性が劣化する。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２２】
・Ｃｏ：導電率の向上と温度上昇に伴う結晶粒の粗大化を防止して耐熱性にも寄与する。しかして３％を越えると特性的に大きな変化が無く経済的に劣る。
0.01％以上含有することが好ましい。
【００２３】
・Ａｇ：スパーク発生を防止する効果があり、３％を越えると導電率の低下と融点の低下が生じる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２４】
・Ｎｉ：強度向上の効果があり、３％を越えると導電率の低下をもたらす。0.01 ％以上含有することが好ましい。
【００２５】
・Ｂｅ：強度向上の効果があり、３％を越えると強度向上に大きな変化がなく経済的に劣る。0.01％含有することが好ましい。
【００２６】
・Ａｌ：電極母材の酸化を抑制する効果があり、３％を越えると導電率が低下して電極寿命が短くなる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２７】
・Ｓｎ：Ｃｕ−Ｃｒ合金基地中に固溶し、高温強度を改善し電極の寿命を向上する効果がある。しかして３％を越えると上記効果に大きな変化がなく導電率が低下する。0.01％以上含有することか好ましい。
【００２８】
・Ｚｒ：Ｃｕ中に微細なＣｕ3 Ｚｒとして析出し強度の向上に寄与し、耐熱性の向上にも寄与する。しかして３％を越えると強度向上に大きな変化がなく導電率の低下を生じる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２９】
次に、上記第１又は第２の本発明合金における重量比で０．０５≦Ｏ２／Ｃｒ≦５の酸素を含むＣｕ基合金は、Ｃｕ−Ｃｒ析出硬化型合金をマトリックスとして、Ｃｒ酸化物とＣｒ晶出物を分散させたもので、この複合材料は鋳造滋に酸素量を制御して作るものであり、その後必要に応じて酸素雰囲気下で熱処理を行うものである。
【００３０】
しかして、酸素含有量として重量比で０．０５≦Ｏ２／Ｃｒ≦５と限定したのは、Ｏ２／Ｃｒが５を超えるとＣｒ晶出物が全て酸化物になると共にＣｕ母材及びＣｕ−Ｃｒ析出物の酸化を生じるため再生機能特性の劣化を生じるからである。好ましくは、Ｏ２／Ｃｒ≧０．０５を満足する酸素を含有するのがよい。
【００３１】
次に、上記第１〜第２の本発明合金の合金は、さらに晶出Ｃｒの粒径が0.1〜70μｍであるＣｕ基合金であるが、その晶出Ｃｒの粒径を0.1〜70μｍと限定したのは、この範囲外ではＣｒによる再生機能特性が不十分であり点溶接における電極の長寿命化の効果が認められないためである。
【００３２】
次に、上記第１〜第２の本発明合金は、さらにマトリックスの結晶粒径が0.1〜50μｍであるＣｕ基合金であるが、結晶粒径をこのように限定したのは、0.1μｍ未満の結晶粒径は製造上困難であり、50μｍを越えるとマトリックスがＡｌと反応する面積が増えると共に結晶粒が点溶接時にピックアップされる現象が生じて電極の消耗が進むためである。
【００３３】
上記本発明銅合金はそのままでも点溶接用電極の形状に加工して用いることができるものでものであるが、本発明はさらに上記本発明の高強度、導電性銅合金の棒状電極の外周を、内径／外径の比が0.4〜0.7となる銅又は銅合金外皮で被覆した電極をとしてもよい。
【００３４】
従来の電極においては溶接時の打点中に、その先端に割れが発生することがあり、このため被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板の外観が損なわれしまう問題がある。このような割れが発生した電極を用いても溶接上問題はないが、外観を良好にするためには、電極の先端を再研磨して割れ深さ分だけ除去する必要がある。然し、工数が増えるだけでなく、電極そのものの寿命が短くなってしまうために、耐割れ性及び打点寿命も優れたものにする必要がある。
【００３５】
そこで、種々検討を重ねた結果、良好な耐熱性及び耐溶着姓を有しつつ先端割れのない打点寿命の長い抵抗溶接電極とするためには、内部電極の径と外皮層の厚さをコントロールしなければならないことが判った。そして、外皮層である銅又は銅合金の内径／外径の比を 0.4〜0.7 となるように被覆すれば良いことを知見したものである。しかして、内径／外径の比が 0.4未満では外皮層が被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板と接触するため、外皮層と被溶接材のアルミ又はアルミ合金板との反応が進み、溶着が生じたり、ナゲット形状が不安定になる。又、内径／外径の比が 0.7を越えると熱伝導性の低下及び外皮層による内部電極の保護効果が弱くなり割れが発生し易くなる。
【００３６】
次に、上記本発明合金の製造方法は、インゴットを溶接後、熱間加工又は冷間加工し、次に 800〜1050℃で溶体化処理を行った後、 400〜550 ℃で時効処理する製造方法であるが、その溶製方法及び条件は特に限定するものではない。溶体化処理は 800℃未満では、その後の時効処理をしても所要の強度が得られず、1050℃を越える温度では、結晶粒が粗大化するため好ましくない。時効処理は、 400℃未満では、マトリックスの析出硬化が不十分で所要の硬度が得られず、 550℃を越えると過時効となり所要の硬度が得られない。
この発明による製造方法では、溶体化処理後の結晶粒は極めて微細で均一となり、次の時効処理を加えることにより極めて安定した強度の得られる効果がある。
【００３７】
【実施例】
以下本発明について実施例と参考例および比較例で説明する。
【００３８】
表１に示す各組成の合金を用いて、それぞれ下記の方法により直径16mm、キャップチップタイプＤＲ型の点溶接用電極を作製した。
【００３９】
参考例１；高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ− 1.5 ％Ｃｒ合金の鋳塊を 900 ℃で熱間押出しにより直径 16mm の棒材とした後、 1000 ℃の溶体化処理を行い、次に 450 ℃で時効処理行った。
【００４０】
参考例２；参考例１と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ合金の直径16mmの棒材とした。
【００４１】
参考例３；高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶製したＣｕ−14％Ｃｒ合金の鋳塊を冷間引き抜き加工により直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理を行い、次に 450℃で時効処理行った。
【００４２】
参考例４；参考例３と同様にしてＣｕ−20％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４３】
参考例５；ガスアトマイズ法で作製したＣｕ−14％Ｃｒ合金の急冷凝固粉を
800 ℃でＨＩＰ処理した後、 700℃で熱間押出しにより直径16mmの棒材とし、次に1000℃の溶体化処理を行った後、 450℃で時効処理を行った。
【００４４】
参考例６；参考例５と同様にしてＣｕ−20％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４５】
比較例１；参考例１と同様にしてＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４６】
比較例２；参考例３と同様にしてＣｕ−25％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４７】
上記方法で作製した電極を用い、厚さ１mmのアルミ合金板（ＪＩＳ，ＡＡ５０５２；Ａｌ− 2.5％Ｍｇ−0.25％Ｃｒ）について、連続点溶接を行い、電極の寿命（打点数）を調べた。その結果を表１に併記した。尚、溶接条件としては、条件１（溶接電流２KA、加圧力200kgf、通電時間５サイクル）と条件２（溶接電流23KA、加圧力300kgf、通電時間５サイクル）で行った。電極寿命の評価はナゲット径を測定し、直径 4.5mmをきる時点を寿命とした。
また材料特性として各電極の初期硬さと導電率を測定した。
【００４８】
【表１】
・表中、硬さ（室温）：Hv5kg 、ＥＣ（導電率）：%IACS
【００４９】
表１から参考例による電極は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲から外れる比較例に比べて倍以上の寿命を有していることが判る。
【００５０】
上記参考例２の合金を用いた電極について、溶接条件２で4000連続打点後の断面組織を図１及び図２に示す。
図１及び図２によればＡｌ合金板との反応層（１）中にはＣｕはほとんど含まれていないことが判る。これはクロム銅合金のマトリックス（２）中に晶出分散したＣｒ（３）がアルミ合金板とマトリックス（２）との反応を抑制しているからである。
これ対して比較例１のクロム銅合金を用いた電極の、条件２で1600連続打点後の断面組織を図３及び図４に示すが、これらによればＡｌ合金板との反応層
（１′）中にＣｕが含まれており、クロム銅合金のマトリックス（２）とＡｌ合金板とが容易に反応することが判る。
従って本発明合金を用いれば、電極表面とＡｌ合金板との反応は緩やかであって電極表面の脱離の進行はより緩慢であるといえる。
【００５１】
また、参考例２と比較例１の溶接条件２における連続打点回数と電極先端径の関係を調べると図５のようになっており、参考例２は電極先端の脱離が少なく有効であることが判る。
【００５２】
さらに、参考例２と比較例１の高温硬さ特性を調べた結果を図６に示す。この結果を見ると参考例２のマトリックスはＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金と推定され、電極の寿命に好ましい影響を与える第１の作用効果は反応抑制と考えられる。
【００５３】
上記の結果を基に、さらに参考例２の合金について電極寿命に影響を与える各種因子について検討した結果を以下に示す。
【００５４】
参考例７；高周波溶解炉を用いて大気中でＳｉを 0.005％添加した溶製した
Ｃｕ−７％Ｃｒ− 0.005％Ｓｉ合金の鋳塊を熱間押出しにより直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理を行い、次に 450℃で時効処理を行った。
【００５５】
参考例８；参考例７と同様にしてＳｉを0.01％添加したＣｕ−７％−0.01％Ｓｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５６】
参考例９；参考例７と同様にしてＳｉを３％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−３％Ｓｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５７】
参考例10；参考例７と同様にしてＮｉを 0.005％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−0.005 ％Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５８】
参考例11；参考例７と同様にしてＮｉを0.01％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−
0.01％Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５９】
参考例12；参考例７と同様にしてＮｉを３％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−３％Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６０】
参考例13；参考例７と同様にしてＳｎを 0.005％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−0.005 ％Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６１】
参考例14；参考例７と同様にしてＳｎを0.01％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−
0.01％Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６２】
参考例15；参考例７と同様にしてＳｎを３％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−３％Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６３】
比較例３；参考例７と同様にしてＳｉを４％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−４％
Ｓｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６４】
比較例４；参考例７と同様にしてＮｉを４％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−４％
Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６５】
比較例５；参考例７と同様にしてＳｎを４％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−４％
Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６６】
以上の各合金から得られた電極を用いて、材料特性としてその硬さと導電率を測定し、さらに実施例１の条件２にて同様の連続点溶接を行い電極寿命を比較した。これらの結果を表２に示した。
【００６７】
【表２】
・表中、硬さ（室温）：Hv5kgf，EC（導電率）：%IACS
【００６８】
表２によれば、参考例による電極はいずれも副成分添加元素の含有量の多すぎる比較例による電極より寿命は大きいといえる。
【００６９】
参考例16；高周波溶解炉を用いて酸素雰囲気量をコントロールしてＣｕ−７％Ｃｒ−0.007 ％Ｏ2 合金の鋳塊を作製し、冷間スウェージング加工により直径16mmの棒材とした。
【００７０】
本発明例17；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−0.35％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７１】
本発明例18；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−10％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７２】
本発明例19；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−20％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７３】
本発明例20；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−35％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７４】
本発明例21；参考例２と同様にして作製したＣｕ−７％Ｃｒ合金電極の接触面中央部に、Ｏ2 アシストガスを吹き付けながらレーザーを照射、直径５mm、深さ２mmの急冷凝固部（Ｃｕ−７％Ｃｒ−20％Ｏ2 ）を形成した。
【００７５】
本発明例22；本発明例21と同様にして点溶接電極の接触面中央に、直径５mm、深さ２mmの急冷凝固部（Ｃｕ−７％Ｃｒ−35％Ｏ2 ）を形成した。
【００７６】
参考例23；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−0.003 ％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７７】
比較例６；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−40％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７８】
以上の各合金から得られた電極を用いて、それらの材料特性及び実施例１の条件２にて同様の連続点溶接を行って求めた電極寿命を測定して、その結果を表３に示した。なお表中にＯ2 ／Ｃｒの含有量比も示した。
【００７９】
【表３】
・表中、硬さ（室温）；Hv5kgf、ＥＣ（導電率）：%IACS
【００８０】
表３によれば本発明例による電極は、Ｏ2 の含有量の多すぎる比較例によるものに比べて大幅に寿命が向上することが判る。
【００８１】
参考例24；高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶解したＣｕ−７％Ｃｒ合金溶湯を鋳造時に冷却速度をコントロールしてＣｒ晶出物のサイズを 0.1〜１μｍにした鋳塊を冷間スウェージング加工して直径16mmの棒材とした後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【００８２】
参考例25；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを１〜10μｍとした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８３】
参考例26；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを10〜40μｍとした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８４】
参考例27；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを40〜70μｍとした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８５】
比較例７；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを 0.1μｍ未満とした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８６】
比較例８；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを70μｍ超としたＣｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８７】
以上の合金から得られた電極を用いて、上記と同様に材料特性と電極寿命を測定した結果を表４に示す。
【００８８】
【表４】
・表中、硬さ（室温）：Hv5kgf、ＥＣ（導電率）：%IACS
【００８９】
表４によれば本発明の参考例による電極はいずれも、比較例においてＣｒ晶出物の大きさが本発明の範囲外であるものに比べて寿命が大きいことが明らかである。
【００９０】
参考例28；高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶解したＣｕ−７％Ｃｒ合金の溶湯を鋳造時に冷却速度をコントロールしてＣｒ晶出物のサイズを１〜10μｍとした鋳塊を冷間スウェージング加工した後、1000℃で溶体化処理し、次に冷間加工率と時効処理条件を適正に組み合わせてマトリックスの結晶粒径が 0.1〜１μｍの直径16mmの棒材とした。
【００９１】
参考例29；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が１〜10μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金の棒材を作製した。
【００９２】
参考例30；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が10〜30μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金棒材を作製した。
【００９３】
参考例31；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が30〜50μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金棒を作製した。
【００９４】
比較例９；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が70μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金棒材を作製した。
【００９５】
以上の合金から得られた電極を用いて上記と同様に材料特性と電極寿命を測定した結果を表５に示す。
【００９６】
【表５】
・表中、硬さ（室温）：Hv5kgf、ＥＣ（導電率）：%IACS
【００９７】
表５より、本発明参考例による合金の電極は、マトリックスの結晶粒径が大きすぎる比較例によるものに比べて電極寿命が大きいことが判る。
【００９８】
表６に示す組成の内部電極用銅合金と外皮を用い、さらに外皮の内径／外径比を表のように調整した電極を下記の方法により作製した。
【００９９】
参考例33：参考例２と同様にして作製した内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金ビレットと銅製パイプ（外皮）を用い、本発明例32と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１００】
参考例34：参考例３と同様にして作製した内部電極組成Ｃｕ−14％Ｃｒ合金ビレットと銅製パイプ（外皮）を用い、本発明例32と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０１】
参考例35：参考例４と同様にして作製した内部電極組成Ｃｕ−20％Ｃｒ合金ビレットと銅製パイプ（外皮）を用い、本発明例32と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０２】
参考例36：ガスアトマイズ法により、内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金の急冷凝固粉を、外皮である銅製のパイプに充填し、 800℃でＨＩＰ（熱間静水圧加圧）処理した後、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理、 450℃の時効処理を行った。
【０１０３】
参考例37：内部電極組成Ｃｕ−20％Ｃｒ合金の粉末を用い、本発明例36と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０４】
参考例38：参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−５％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝0.71）のビレットを作製した後、外皮である銅製パイプに挿入し、 700℃で熱間押出により、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理、 450℃の時効処理を行った。
【０１０５】
参考例39：参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−15％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝2.1)のビレットを作製した後、本発明例38と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０６】
参考例40：内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金の粉末をアトライターで酸素雰囲気中で調整してＣｕ−７％Ｃｒ−30％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝4.3)粉末とし、外皮となる銅製のパイプに充填して 800℃でＨＩＰ処理した後、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１０７】
参考例41：参考例２と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、これを外皮である銅製のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が 0.4の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃の時効処理を行った。
【０１０８】
参考例42：参考例41と同様にして、外皮の内径／外径の比が 0.7の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０９】
参考例43：参考例２と同様にして内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、外皮であるＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１１０】
比較例10：溶製法で内部電極組成Ｃｕ− 0.8％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、外皮である銅製のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１１１】
比較例11：高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶製したＣｕ−25％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、外皮である銅製のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１１２】
比較例12：内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ−40％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝5.7)の粉末を用い、本発明例40と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材電極に加工した。
【０１１３】
比較例13：参考例41と同様にして外皮の内径／外径の比が 0.3の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１１４】
比較例14：参考例41と同様にして外皮の内径／外径の比が 0.9の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１１５】
以上の内部電極合金と外皮とで構成された電極を用いて、実施例１で示した条件１及び条件２にて同様の連続点溶接を行い、その結果を表６に併記した。
【０１１６】
【表６】
【０１１７】
表６によれば、本発明参考例の電極は、比較例によるものに比べて明らかに電極寿命は良好である。
【０１１８】
参考例44；高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ−７％Ｃｒ合金の鋳塊を 900℃で熱間押出しにより直径16mmの棒材とした後、 800℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１１９】
参考例45：参考例44と同様にして棒材とした後、 800℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２０】
参考例46：参考例44と同様にして棒材とした後、 800℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１２１】
参考例47：参考例44と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１２２】
参考例48：参考例44と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２３】
参考例49：参考例44と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１２４】
参考例50：参考例44と同様にして棒材とした後、1050℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１２５】
参考例51：参考例44と同様にして棒材とした後、1050℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２６】
参考例52：参考例44と同様にして棒材とした後、1050℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１２７】
参考例53：高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ−７％Ｃｒ合金の鋳塊を冷間で引き抜き加工を行い、直径16mmの棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１２８】
参考例54：参考例53と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２９】
参考例55：参考例53と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１３０】
比較例15：高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ−７％Ｃｒ合金の鋳塊を900 ℃で熱間押出しにより、直径16mmの棒材とした後、 750℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１３１】
比較例16：比較例15と同様にして棒材とした後、1100℃の溶体化処理を行い、次に時効処理を 450℃で行った。
【０１３２】
比較例17：比較例15と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 350℃の時効処理を行った。
【０１３３】
比較例18：比較例15と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 600℃の時効処理を行った。
【０１３４】
以上の合金から得られた電極を用いて、上記と同様に材料特性と電極寿命を測定した結果を表７に示す。
【０１３５】
【表７】
【０１３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば電極寿命が従来のＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金（クロム銅合金）に比べて２〜３倍の連続打点寿命を示し、著しく優れていることが判る。一方、本発明の範囲から外れる比較例によるものは、従来のクロム銅合金と同等で本発明より寿命が劣る。
従って本発明によれば、熱伝導性、電気伝導性が良好で、高温強度、高温耐熱性に優れ、アルミ又はアルミ合金板の点溶接電極の寿命を著しく向上できるなど工業上顕著な効果を奏するものである。
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車産業等で使用されるアルミ合金板を点溶接する際の長寿命の電極用銅合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
アルミ合金板の点溶接における電極の寿命低下は、自動車生産において大きな問題であり、長寿命の点溶接電極が要望されている。この点溶接電極の寿命を改善する手段として、電極材の導電率、熱伝導率、耐熱性等の特性向上が必要と考えられる。例えば、Ｃｕ中に 0.8wt％程度のＣｒを含有させ、析出硬化を利用して強化させたＣｕ−Ｃｒ合金、或いは、Ｃｕ中にＡｌ2 Ｏ3 やＴｉＯ2 等の酸化物粒子を約１wt％程度添加し、分散させた粒子分散型Ｃｕ合金が使用されている。
【０００３】
しかしながら、これらの合金は上記要請を十分満足するまでには至っていない。殊に、アルミ合金板の点溶接において、ＡｌとＣｕが反応して、脆い合金層が形成され、この合金層が剥離していく現象が生じる為、電極の消耗が著しくなるという問題がクローズアップされている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、このような現象を解明するために、Ａｌ合金板と１％Ｃｒ−Ｃｕ合金電極（キャップチップタイプＤＲ型）の溶接状況を調べた。先ず、電極の温度分布を調べるために断面硬さ分布を測定した結果、電極先端において極表層の数10μｍだけが軟化し、内部は連続打点前と同等であることが確認された。この結果を基に発熱温度を推定すると 500〜600 ℃となる。
【０００５】
また、電極表面にはＡｌとＣｕの反応層が検出され、一方、電極に付着したＡｌ合金層においてＡｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｃｒの反応層が検出されている（特にＡｌとＣｕの反応が顕著）。この反応層から、Ａｌ−Ｃｕ系の包晶反応温度(548℃以上）、Ａｌ中へのＣｕ拡散、Ａｌ中へのＣｒ拡散性から発熱温度を推定すると550 〜600 ℃となる。以上のことを踏まえて、電極先端部の発熱温度は550〜600 ℃と推定された。
【０００６】
また、電極表面を詳細に調査すると電極表面の粒界及び浮遊Ｃｒ粒子が、ピックアップ時にＡｌ合金板側に引き剥されて電極表面から脱離しているのが認められる。
【０００７】
以上の結果、Ａｌ合金板の点溶接において、電極表面が 550〜600 ℃に発熱して、ＡｌとＣｕ及びＣｒとの反応が進行して反応層が生成され、溶接終了時のピックアップにより、この反応層が電極表面の粒界及び浮遊Ｃｒ粒子を引き剥す形で脱落して表面の損耗が進行するものと推定された。
【０００８】
本発明はこれに鑑み検討の結果、溶接電極として要求される熱伝導性、導電性が良好で高温強度、高温耐熱性に優れた長寿命のＡｌ合金板の点溶接電極用合金を開発したものである。
【０００９】
即ち、本発明の第１の合金は、Ｃｒ： 5.0 〜 20wt% と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に 800 〜 1050 ℃で溶体化処理を行った後、 400 〜 550 ℃で時効処理を行うことにより得られ、かつ晶出Ｃｒの粒径が 0.1 〜 70 μｍであって、マトリックスの結晶粒径が 0.1 〜 50 μ m であることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の第２の合金はＣｒ： 5.0 〜 20wt% を含有し、さらにＳｉ，Ｐ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｒの内の 1 種又は 2 種以上をそれぞれ 3wt% 以下と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に 800 〜 1050 ℃で溶体化処理を行った後、 400 〜 550 ℃で時効処理を行うことにより得られ、かつ晶出Ｃｒの粒径が 0.1 〜 70 μｍであって、マトリックスの結晶粒径が 0.1 〜 50 μ m であることを特徴とするものである。
【００１１】
また本発明の電極は上記高強度、導電性銅合金の棒状電極の外周を、内径／外径の比が 0.4〜0.7 となる銅又は銅合金外皮で被覆してもよい。
【００１２】
さらに本発明銅合金の製造方法は、インゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に800〜1050℃で溶体化処理を行った後、400〜550℃で時効処理を行うものである。
【００１３】
【作用】
本発明の電極用銅合金は上記の如く、Ｃｒ：5.0〜20%と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し残部Ｃｕと不可避的不純物からなるものを主な構成要素としており、晶出したＣｒが溶接熱により電極表面で酸化して被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板との反応を防止し、溶接中に酸化物が離脱しても、溶接熱で電極表面のＣｒが酸化して再生機能を有することに特徴がある。
【００１４】
そして第１の本発明合金はＣｒ：5.0〜20%と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含むＣｕ基合金であり、これはＣｒがＣｕマトリックス中に晶出して分散されていれば、熱伝導性及び電気伝導性を余り低下させずに高強度と高温耐熱性を持つことが可能であることを見いだしたからである。
【００１５】
即ち、本来Ｃｕ−Ｃｒ合金のＣｒ固溶限界量は 0.8％で、それ以上添加しても析出硬化には寄与しないものである。そこで、本発明合金はＣｒを固溶限以上に添加し、Ｃｕマトリックス中にＣｒを晶出分散させることにより、このＣｒが溶接熱により電極表面で酸化するので、表面においてＣｕ−Ｃｒ析出硬化型合金のマトリックス中にＣｒ酸化物が分散した複合材料となっているものである。従って、電極と被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板との反応を防止し、溶接中に酸化物が脱離しても溶接熱で電極表面のＣｒが酸化して再生機能を有するものである。
【００１６】
しかして、Ｃｒの添加量を5.0〜20%と限定したのは、Ｃｒ：5.0％未満では析出硬化にだけ使用され、Ｃｒ酸化物形成量が微量のため再生機能の効果が不十分となり、20％を超えるとＣｕ本来の熱伝導率と導電率を低下させるためてある。尚、この合金は必要に応じて酸素雰囲気下で熱処理を施しても良い。
【００１７】
次に第２の本発明合金であるＣｒ：5.0〜20％と、重量比で０．０５≦Ｏ ２ ／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、さらにＳｉ，Ｐ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｒの内1種又は2種以上をそれぞれ３％以下含有したＣｕ基合金における成分組成範囲を限定した理由を以下に説明する。
【００１８】
・Ｃｒ：上記と同様の理由による。
【００１９】
・Ｓｉ：強度向上に寄与する元素であり、３％を越えると導電率が低下すると共に熱間加工性が悪くなる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２０】
・Ｐ：焼き入れ処理を容易にする効果があり、３％を越えると粒界に偏析して耐食性を低下させると同時に導電率が悪くなる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２１】
・Ｍｇ：不可避的に混入してくるＳを、安定したＭｇとの化合物ＭｇＳとして母相中に固定し熱間加工性を向上させる元素である。しかして３％を越えると鋳塊中にＣｕ＋ＭｇＣｕ2 の共晶を生成し、 722℃以上の温度に加熱すると割れを生じ、熱間加工性が劣化する。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２２】
・Ｃｏ：導電率の向上と温度上昇に伴う結晶粒の粗大化を防止して耐熱性にも寄与する。しかして３％を越えると特性的に大きな変化が無く経済的に劣る。
0.01％以上含有することが好ましい。
【００２３】
・Ａｇ：スパーク発生を防止する効果があり、３％を越えると導電率の低下と融点の低下が生じる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２４】
・Ｎｉ：強度向上の効果があり、３％を越えると導電率の低下をもたらす。0.01 ％以上含有することが好ましい。
【００２５】
・Ｂｅ：強度向上の効果があり、３％を越えると強度向上に大きな変化がなく経済的に劣る。0.01％含有することが好ましい。
【００２６】
・Ａｌ：電極母材の酸化を抑制する効果があり、３％を越えると導電率が低下して電極寿命が短くなる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２７】
・Ｓｎ：Ｃｕ−Ｃｒ合金基地中に固溶し、高温強度を改善し電極の寿命を向上する効果がある。しかして３％を越えると上記効果に大きな変化がなく導電率が低下する。0.01％以上含有することか好ましい。
【００２８】
・Ｚｒ：Ｃｕ中に微細なＣｕ3 Ｚｒとして析出し強度の向上に寄与し、耐熱性の向上にも寄与する。しかして３％を越えると強度向上に大きな変化がなく導電率の低下を生じる。0.01％以上含有することが好ましい。
【００２９】
次に、上記第１又は第２の本発明合金における重量比で０．０５≦Ｏ２／Ｃｒ≦５の酸素を含むＣｕ基合金は、Ｃｕ−Ｃｒ析出硬化型合金をマトリックスとして、Ｃｒ酸化物とＣｒ晶出物を分散させたもので、この複合材料は鋳造滋に酸素量を制御して作るものであり、その後必要に応じて酸素雰囲気下で熱処理を行うものである。
【００３０】
しかして、酸素含有量として重量比で０．０５≦Ｏ２／Ｃｒ≦５と限定したのは、Ｏ２／Ｃｒが５を超えるとＣｒ晶出物が全て酸化物になると共にＣｕ母材及びＣｕ−Ｃｒ析出物の酸化を生じるため再生機能特性の劣化を生じるからである。好ましくは、Ｏ２／Ｃｒ≧０．０５を満足する酸素を含有するのがよい。
【００３１】
次に、上記第１〜第２の本発明合金の合金は、さらに晶出Ｃｒの粒径が0.1〜70μｍであるＣｕ基合金であるが、その晶出Ｃｒの粒径を0.1〜70μｍと限定したのは、この範囲外ではＣｒによる再生機能特性が不十分であり点溶接における電極の長寿命化の効果が認められないためである。
【００３２】
次に、上記第１〜第２の本発明合金は、さらにマトリックスの結晶粒径が0.1〜50μｍであるＣｕ基合金であるが、結晶粒径をこのように限定したのは、0.1μｍ未満の結晶粒径は製造上困難であり、50μｍを越えるとマトリックスがＡｌと反応する面積が増えると共に結晶粒が点溶接時にピックアップされる現象が生じて電極の消耗が進むためである。
【００３３】
上記本発明銅合金はそのままでも点溶接用電極の形状に加工して用いることができるものでものであるが、本発明はさらに上記本発明の高強度、導電性銅合金の棒状電極の外周を、内径／外径の比が0.4〜0.7となる銅又は銅合金外皮で被覆した電極をとしてもよい。
【００３４】
従来の電極においては溶接時の打点中に、その先端に割れが発生することがあり、このため被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板の外観が損なわれしまう問題がある。このような割れが発生した電極を用いても溶接上問題はないが、外観を良好にするためには、電極の先端を再研磨して割れ深さ分だけ除去する必要がある。然し、工数が増えるだけでなく、電極そのものの寿命が短くなってしまうために、耐割れ性及び打点寿命も優れたものにする必要がある。
【００３５】
そこで、種々検討を重ねた結果、良好な耐熱性及び耐溶着姓を有しつつ先端割れのない打点寿命の長い抵抗溶接電極とするためには、内部電極の径と外皮層の厚さをコントロールしなければならないことが判った。そして、外皮層である銅又は銅合金の内径／外径の比を 0.4〜0.7 となるように被覆すれば良いことを知見したものである。しかして、内径／外径の比が 0.4未満では外皮層が被溶接材であるアルミ又はアルミ合金板と接触するため、外皮層と被溶接材のアルミ又はアルミ合金板との反応が進み、溶着が生じたり、ナゲット形状が不安定になる。又、内径／外径の比が 0.7を越えると熱伝導性の低下及び外皮層による内部電極の保護効果が弱くなり割れが発生し易くなる。
【００３６】
次に、上記本発明合金の製造方法は、インゴットを溶接後、熱間加工又は冷間加工し、次に 800〜1050℃で溶体化処理を行った後、 400〜550 ℃で時効処理する製造方法であるが、その溶製方法及び条件は特に限定するものではない。溶体化処理は 800℃未満では、その後の時効処理をしても所要の強度が得られず、1050℃を越える温度では、結晶粒が粗大化するため好ましくない。時効処理は、 400℃未満では、マトリックスの析出硬化が不十分で所要の硬度が得られず、 550℃を越えると過時効となり所要の硬度が得られない。
この発明による製造方法では、溶体化処理後の結晶粒は極めて微細で均一となり、次の時効処理を加えることにより極めて安定した強度の得られる効果がある。
【００３７】
【実施例】
以下本発明について実施例と参考例および比較例で説明する。
【００３８】
表１に示す各組成の合金を用いて、それぞれ下記の方法により直径16mm、キャップチップタイプＤＲ型の点溶接用電極を作製した。
【００３９】
参考例１；高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ− 1.5 ％Ｃｒ合金の鋳塊を 900 ℃で熱間押出しにより直径 16mm の棒材とした後、 1000 ℃の溶体化処理を行い、次に 450 ℃で時効処理行った。
【００４０】
参考例２；参考例１と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ合金の直径16mmの棒材とした。
【００４１】
参考例３；高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶製したＣｕ−14％Ｃｒ合金の鋳塊を冷間引き抜き加工により直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理を行い、次に 450℃で時効処理行った。
【００４２】
参考例４；参考例３と同様にしてＣｕ−20％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４３】
参考例５；ガスアトマイズ法で作製したＣｕ−14％Ｃｒ合金の急冷凝固粉を
800 ℃でＨＩＰ処理した後、 700℃で熱間押出しにより直径16mmの棒材とし、次に1000℃の溶体化処理を行った後、 450℃で時効処理を行った。
【００４４】
参考例６；参考例５と同様にしてＣｕ−20％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４５】
比較例１；参考例１と同様にしてＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４６】
比較例２；参考例３と同様にしてＣｕ−25％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００４７】
上記方法で作製した電極を用い、厚さ１mmのアルミ合金板（ＪＩＳ，ＡＡ５０５２；Ａｌ− 2.5％Ｍｇ−0.25％Ｃｒ）について、連続点溶接を行い、電極の寿命（打点数）を調べた。その結果を表１に併記した。尚、溶接条件としては、条件１（溶接電流２KA、加圧力200kgf、通電時間５サイクル）と条件２（溶接電流23KA、加圧力300kgf、通電時間５サイクル）で行った。電極寿命の評価はナゲット径を測定し、直径 4.5mmをきる時点を寿命とした。
また材料特性として各電極の初期硬さと導電率を測定した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１から参考例による電極は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲から外れる比較例に比べて倍以上の寿命を有していることが判る。
【００５０】
上記参考例２の合金を用いた電極について、溶接条件２で4000連続打点後の断面組織を図１及び図２に示す。
図１及び図２によればＡｌ合金板との反応層（１）中にはＣｕはほとんど含まれていないことが判る。これはクロム銅合金のマトリックス（２）中に晶出分散したＣｒ（３）がアルミ合金板とマトリックス（２）との反応を抑制しているからである。
これ対して比較例１のクロム銅合金を用いた電極の、条件２で1600連続打点後の断面組織を図３及び図４に示すが、これらによればＡｌ合金板との反応層
（１′）中にＣｕが含まれており、クロム銅合金のマトリックス（２）とＡｌ合金板とが容易に反応することが判る。
従って本発明合金を用いれば、電極表面とＡｌ合金板との反応は緩やかであって電極表面の脱離の進行はより緩慢であるといえる。
【００５１】
また、参考例２と比較例１の溶接条件２における連続打点回数と電極先端径の関係を調べると図５のようになっており、参考例２は電極先端の脱離が少なく有効であることが判る。
【００５２】
さらに、参考例２と比較例１の高温硬さ特性を調べた結果を図６に示す。この結果を見ると参考例２のマトリックスはＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金と推定され、電極の寿命に好ましい影響を与える第１の作用効果は反応抑制と考えられる。
【００５３】
上記の結果を基に、さらに参考例２の合金について電極寿命に影響を与える各種因子について検討した結果を以下に示す。
【００５４】
参考例７；高周波溶解炉を用いて大気中でＳｉを 0.005％添加した溶製した
Ｃｕ−７％Ｃｒ− 0.005％Ｓｉ合金の鋳塊を熱間押出しにより直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理を行い、次に 450℃で時効処理を行った。
【００５５】
参考例８；参考例７と同様にしてＳｉを0.01％添加したＣｕ−７％−0.01％Ｓｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５６】
参考例９；参考例７と同様にしてＳｉを３％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−３％Ｓｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５７】
参考例10；参考例７と同様にしてＮｉを 0.005％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−0.005 ％Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５８】
参考例11；参考例７と同様にしてＮｉを0.01％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−
0.01％Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００５９】
参考例12；参考例７と同様にしてＮｉを３％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−３％Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６０】
参考例13；参考例７と同様にしてＳｎを 0.005％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−0.005 ％Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６１】
参考例14；参考例７と同様にしてＳｎを0.01％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−
0.01％Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６２】
参考例15；参考例７と同様にしてＳｎを３％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−３％Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６３】
比較例３；参考例７と同様にしてＳｉを４％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−４％
Ｓｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６４】
比較例４；参考例７と同様にしてＮｉを４％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−４％
Ｎｉ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６５】
比較例５；参考例７と同様にしてＳｎを４％添加したＣｕ−７％Ｃｒ−４％
Ｓｎ合金を直径16mmの棒材とした。
【００６６】
以上の各合金から得られた電極を用いて、材料特性としてその硬さと導電率を測定し、さらに実施例１の条件２にて同様の連続点溶接を行い電極寿命を比較した。これらの結果を表２に示した。
【００６７】
【表２】
【００６８】
表２によれば、参考例による電極はいずれも副成分添加元素の含有量の多すぎる比較例による電極より寿命は大きいといえる。
【００６９】
参考例16；高周波溶解炉を用いて酸素雰囲気量をコントロールしてＣｕ−７％Ｃｒ−0.007 ％Ｏ2 合金の鋳塊を作製し、冷間スウェージング加工により直径16mmの棒材とした。
【００７０】
本発明例17；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−0.35％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７１】
本発明例18；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−10％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７２】
本発明例19；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−20％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７３】
本発明例20；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−35％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７４】
本発明例21；参考例２と同様にして作製したＣｕ−７％Ｃｒ合金電極の接触面中央部に、Ｏ2 アシストガスを吹き付けながらレーザーを照射、直径５mm、深さ２mmの急冷凝固部（Ｃｕ−７％Ｃｒ−20％Ｏ2 ）を形成した。
【００７５】
本発明例22；本発明例21と同様にして点溶接電極の接触面中央に、直径５mm、深さ２mmの急冷凝固部（Ｃｕ−７％Ｃｒ−35％Ｏ2 ）を形成した。
【００７６】
参考例23；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−0.003 ％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７７】
比較例６；参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−40％Ｏ2 合金を直径16mmの棒材とした。
【００７８】
以上の各合金から得られた電極を用いて、それらの材料特性及び実施例１の条件２にて同様の連続点溶接を行って求めた電極寿命を測定して、その結果を表３に示した。なお表中にＯ2 ／Ｃｒの含有量比も示した。
【００７９】
【表３】
【００８０】
表３によれば本発明例による電極は、Ｏ2 の含有量の多すぎる比較例によるものに比べて大幅に寿命が向上することが判る。
【００８１】
参考例24；高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶解したＣｕ−７％Ｃｒ合金溶湯を鋳造時に冷却速度をコントロールしてＣｒ晶出物のサイズを 0.1〜１μｍにした鋳塊を冷間スウェージング加工して直径16mmの棒材とした後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【００８２】
参考例25；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを１〜10μｍとした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８３】
参考例26；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを10〜40μｍとした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８４】
参考例27；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを40〜70μｍとした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８５】
比較例７；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを 0.1μｍ未満とした
Ｃｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８６】
比較例８；参考例24と同様にしてＣｒ晶出物のサイズを70μｍ超としたＣｕ−７％Ｃｒ合金を直径16mmの棒材とした。
【００８７】
以上の合金から得られた電極を用いて、上記と同様に材料特性と電極寿命を測定した結果を表４に示す。
【００８８】
【表４】
【００８９】
表４によれば本発明の参考例による電極はいずれも、比較例においてＣｒ晶出物の大きさが本発明の範囲外であるものに比べて寿命が大きいことが明らかである。
【００９０】
参考例28；高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶解したＣｕ−７％Ｃｒ合金の溶湯を鋳造時に冷却速度をコントロールしてＣｒ晶出物のサイズを１〜10μｍとした鋳塊を冷間スウェージング加工した後、1000℃で溶体化処理し、次に冷間加工率と時効処理条件を適正に組み合わせてマトリックスの結晶粒径が 0.1〜１μｍの直径16mmの棒材とした。
【００９１】
参考例29；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が１〜10μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金の棒材を作製した。
【００９２】
参考例30；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が10〜30μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金棒材を作製した。
【００９３】
参考例31；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が30〜50μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金棒を作製した。
【００９４】
比較例９；参考例28と同様にしてマトリックスの結晶粒径が70μｍの直径16mmのＣｕ−７％Ｃｒ合金棒材を作製した。
【００９５】
以上の合金から得られた電極を用いて上記と同様に材料特性と電極寿命を測定した結果を表５に示す。
【００９６】
【表５】
【００９７】
表５より、本発明参考例による合金の電極は、マトリックスの結晶粒径が大きすぎる比較例によるものに比べて電極寿命が大きいことが判る。
【００９８】
表６に示す組成の内部電極用銅合金と外皮を用い、さらに外皮の内径／外径比を表のように調整した電極を下記の方法により作製した。
【００９９】
参考例33：参考例２と同様にして作製した内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金ビレットと銅製パイプ（外皮）を用い、本発明例32と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１００】
参考例34：参考例３と同様にして作製した内部電極組成Ｃｕ−14％Ｃｒ合金ビレットと銅製パイプ（外皮）を用い、本発明例32と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０１】
参考例35：参考例４と同様にして作製した内部電極組成Ｃｕ−20％Ｃｒ合金ビレットと銅製パイプ（外皮）を用い、本発明例32と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０２】
参考例36：ガスアトマイズ法により、内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金の急冷凝固粉を、外皮である銅製のパイプに充填し、 800℃でＨＩＰ（熱間静水圧加圧）処理した後、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理、 450℃の時効処理を行った。
【０１０３】
参考例37：内部電極組成Ｃｕ−20％Ｃｒ合金の粉末を用い、本発明例36と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０４】
参考例38：参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−５％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝0.71）のビレットを作製した後、外皮である銅製パイプに挿入し、 700℃で熱間押出により、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした後、1000℃の溶体化処理、 450℃の時効処理を行った。
【０１０５】
参考例39：参考例16と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ−15％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝2.1)のビレットを作製した後、本発明例38と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０６】
参考例40：内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金の粉末をアトライターで酸素雰囲気中で調整してＣｕ−７％Ｃｒ−30％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝4.3)粉末とし、外皮となる銅製のパイプに充填して 800℃でＨＩＰ処理した後、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１０７】
参考例41：参考例２と同様にしてＣｕ−７％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、これを外皮である銅製のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が 0.4の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃の時効処理を行った。
【０１０８】
参考例42：参考例41と同様にして、外皮の内径／外径の比が 0.7の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１０９】
参考例43：参考例２と同様にして内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、外皮であるＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１１０】
比較例10：溶製法で内部電極組成Ｃｕ− 0.8％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、外皮である銅製のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１１１】
比較例11：高周波溶解炉を用いて窒素雰囲気中で溶製したＣｕ−25％Ｃｒ合金のビレットを作製した後、外皮である銅製のパイプに挿入し、 700℃で熱間押出しにより、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材とした。その後、1000℃で溶体化処理、 450℃で時効処理を行った。
【０１１２】
比較例12：内部電極組成Ｃｕ−７％Ｃｒ−40％Ｏ2 （Ｏ2 ／Ｃｒ＝5.7)の粉末を用い、本発明例40と同様にして、外皮の内径／外径の比が0.55の直径16mmの棒材電極に加工した。
【０１１３】
比較例13：参考例41と同様にして外皮の内径／外径の比が 0.3の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１１４】
比較例14：参考例41と同様にして外皮の内径／外径の比が 0.9の直径16mmの棒状電極に加工した。
【０１１５】
以上の内部電極合金と外皮とで構成された電極を用いて、実施例１で示した条件１及び条件２にて同様の連続点溶接を行い、その結果を表６に併記した。
【０１１６】
【表６】
表６によれば、本発明参考例の電極は、比較例によるものに比べて明らかに電極寿命は良好である。
【０１１８】
参考例44；高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ−７％Ｃｒ合金の鋳塊を 900℃で熱間押出しにより直径16mmの棒材とした後、 800℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１１９】
参考例45：参考例44と同様にして棒材とした後、 800℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２０】
参考例46：参考例44と同様にして棒材とした後、 800℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１２１】
参考例47：参考例44と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１２２】
参考例48：参考例44と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２３】
参考例49：参考例44と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１２４】
参考例50：参考例44と同様にして棒材とした後、1050℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１２５】
参考例51：参考例44と同様にして棒材とした後、1050℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２６】
参考例52：参考例44と同様にして棒材とした後、1050℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１２７】
参考例53：高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ−７％Ｃｒ合金の鋳塊を冷間で引き抜き加工を行い、直径16mmの棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 400℃の時効処理を行った。
【０１２８】
参考例54：参考例53と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１２９】
参考例55：参考例53と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 550℃の時効処理を行った。
【０１３０】
比較例15：高周波溶解炉を用いて大気中で溶製したＣｕ−７％Ｃｒ合金の鋳塊を900 ℃で熱間押出しにより、直径16mmの棒材とした後、 750℃の溶体化処理を行い、次に 450℃の時効処理を行った。
【０１３１】
比較例16：比較例15と同様にして棒材とした後、1100℃の溶体化処理を行い、次に時効処理を 450℃で行った。
【０１３２】
比較例17：比較例15と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 350℃の時効処理を行った。
【０１３３】
比較例18：比較例15と同様にして棒材とした後、 950℃の溶体化処理を行い、次に 600℃の時効処理を行った。
【０１３４】
以上の合金から得られた電極を用いて、上記と同様に材料特性と電極寿命を測定した結果を表７に示す。
【０１３５】
【表７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば電極寿命が従来のＣｕ− 0.8％Ｃｒ合金（クロム銅合金）に比べて２〜３倍の連続打点寿命を示し、著しく優れていることが判る。一方、本発明の範囲から外れる比較例によるものは、従来のクロム銅合金と同等で本発明より寿命が劣る。
従って本発明によれば、熱伝導性、電気伝導性が良好で、高温強度、高温耐熱性に優れ、アルミ又はアルミ合金板の点溶接電極の寿命を著しく向上できるなど工業上顕著な効果を奏するものである。
Claims (2)
- Ｃｒ：5.0〜20wt%と、重量比で０．０５≦Ｏ２／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に800〜1050℃で溶体化処理を行った後、400〜550℃で時効処理を行うことにより得られ、かつ晶出Ｃｒの粒径が0.1〜70μｍであって、マトリックスの結晶粒径が0.1〜50μmであることを特徴とする再生機能に優れたＡｌ合金板の点溶接電極用銅合金。
- Ｃｒ：5.0〜20wt%を含有し、さらにＳｉ，Ｐ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｒの内の1種又は2種以上をそれぞれ3wt%以下と、重量比で０．０５≦Ｏ２／Ｃｒ≦５の酸素を含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを溶製後、熱間加工又は冷間加工し、次に800〜1050℃で溶体化処理を行った後、400〜550℃で時効処理を行うことにより得られ、かつ晶出Ｃｒの粒径が0.1〜70μｍであって、マトリックスの結晶粒径が0.1〜50μmであることを特徴とする再生機能に優れたＡｌ合金板の点溶接電極用銅合金。
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