JP5607460B2

JP5607460B2 - 切削加工性に優れた銅合金鋳塊と銅合金材料、およびこれを用いた銅合金部品

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Publication number: JP5607460B2
Application number: JP2010192781A
Authority: JP
Inventors: 千綱鎌田; 義弘山本; 高橋　　功
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: JP2012046812A

Description

本発明は、電子機器、精密機械、自動車等に使用される金属部品、特に切削加工により製造される銅合金部品に関し、さらにこの銅合金部品に適する銅合金材料およびそれに用いる銅合金鋳塊に関するものである。

金属部品を製造する方法として旋削、穿孔などの切削加工がある。切削加工は、特に複雑な形状を持つ部品や高い寸法精度を要する部品の製造には有効な加工方法である。切削加工を行う場合、切削性が良好であることが求められる。切削性には、切削屑処理、工具寿命、切削抵抗、切削面粗さなどの項目があり、これらが向上するように材料に改良が施されている。

銅合金は、強度が高い、導電性・熱伝導性に優れる、耐食性に優れる、展伸性が良い、色調に優れるなどの理由から多くの金属部品に使用されている。銅合金材料の切削性向上のために、鉛や硫黄などを添加することが知られている。これらの添加物は、単体または化合物として、切削屑分断の起点として作用する。

例えば、特許文献１は、りん青銅に鉛を添加した快削りん青銅を開示している。また、特許文献２は、青銅において硫黄を添加して硫化物を形成させて切削屑分断の起点として作用させることを開示している。また、特許文献３は、硫化物を切削屑分断の起点として作用させるものとして、銅−ジルコニウム系、銅−チタン系の時効析出型合金に関して開示している。

また、晶出物など銅合金中の第２相のサイズを制御した技術も提案されている。
例えば、鋳造する際の溶銅温度、保持時間および凝固に至るまでの温度での冷却速度を規定し、所望のサイズ、数比率の晶出物を得ることによってプレス加工性を改善するものである（特許文献４）。あるいは、鋳造時のシール、凝固位置制御によってＭｇ系化合物（酸化物）のサイズを規定することによって曲げ加工性を向上させるものもある（特許文献５）。

その他、特許文献６〜８では、鋳造後の圧延、熱処理条件によって晶出物のサイズを制御するとしている。

特開昭５０−０６６４２３号公報特開２００６−１５２３７３号公報特開２００１−２４０９２３号公報特開平１０−２１９３７４号公報特開２００６−２３３３１４号公報特開２００４−１５６１１５号公報特開２００５−０８９８４３号公報特開２００５−２９８９２０号公報

特許文献１〜３に記載された技術は、以下の問題点を有する。特許文献１は、環境負荷物質である鉛を含むため、使用が制限されつつあり、他の材料で代替される傾向にある。特許文献２は鋳物に関する技術であり、棒材や板材などの展伸材は製造できない。特許文献３の技術で得られる材料は強度が低く、同軸コネクタのピン材などの高強度を必要とする用途には不十分である。

晶出物など銅合金中の第２相のサイズを制御している特許文献４〜８に記載された技術は、以下の問題点を有する。特許文献４で示されている凝固前の冷却速度制御では、鋳塊中の晶出物である硫化物はマトリックスの固相線温度以下において生成されるもので、晶出物サイズは制御できない。特許文献５は不純物となる酸化物の銅合金中への混入回避についての技術であり、銅合金中に分布させる硫化物を任意のサイズに制御できない。特許文献６〜８では熱処理で一旦固溶し、生成される析出物サイズは制御できるが、鋳造によって得られる鋳片（スラブ）中の硫化物は、その後の熱処理では固溶しないためサイズは制御できない。

高強度または高導電性を必要とする用途では、銅にニッケルとケイ素を添加する合金系（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系：いわゆるコルソン合金）などを用いることも考えられるが、この合金系において被削性を高める検討は十分になされておらず、被削性に優れた材料とするためにはさらなる検討が必要である。

本発明はこのような問題に鑑みなされたもので、特に高強度または高導電性を必要とする用途に最適な被削性に優れた銅合金材料とこれに用いる銅合金鋳塊を、環境負荷物質を利用することなく提供することを目的とする。
さらに本発明は、寸法精度などに優れ、電子機器、精密機械、自動車等に使用することができ、上記銅合金材料を用いて切削加工により製造できる銅合金部品を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討した結果、特定の組成を有する時効析出型銅合金の鋳塊を得る際に、デンドライト２次アームスペーシング（デンドライト組織の隣接する２次アーム間の中心間距離：以下ＤＡＳとする）の値を特定の範囲とすることによって、鋳塊に含まれる硫化物のサイズ、個数密度が所望の範囲となり、熱間、冷間加工性および被削性に優れ、さらに強度および導電性に優れる銅合金が得られることを見出した。また、硫黄添加方法の規定によって、硫黄と銅中または大気中の酸素、水蒸気との反応によってＳＯ_２、Ｈ_２Ｓなどのガスの発生を回避することによって鋳塊中における硫化物の形成が達成できることを見出した。本発明はこれらの知見に基づきなされたものである。

すなわち、上記課題は、以下の手段によって解決された。
＜１＞Ｎｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．３〜２．３ｍａｓｓ％、Ｓを０．０４〜１．０％を含有し、さらに、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、およびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種を総量で０．０５〜２．０ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、
硫黄の含有量［Ｓ（ｍａｓｓ％）］とＤＡＳ［ｄ（μｍ）］が下記（ａ）、（ｂ）、または（ｃ）の関係を満たすことを特徴とする銅合金鋳塊。
（ａ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．０４以上０．１未満の場合
５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜３１．７×［Ｓ（ｍａｓｓ％）］^０．５
（ｂ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．１以上０．２５未満の場合
５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜１０
（ｃ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．２５以上１．０以下の場合
１０×［Ｓ（ｍａｓｓ％）］^０．５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜１０
＜２＞前記鋳塊中のＤＡＳが３７〜１０８μｍ、鋳塊中に分散している硫化物の平均粒径が５〜１０μｍ、個数密度が１００〜１０００個／ｍｍ ^２であることを特徴とする＜１＞に記載の銅合金鋳塊。
＜３＞＜１＞または＜２＞に記載の銅合金鋳塊に熱間加工、冷間加工、および熱処理から選ばれる少なくともひとつの処理を施して得られ、引張強さが５００ＭＰａ以上、導電率が２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする銅合金材料。
＜４＞＜１＞または＜２＞に記載の銅合金鋳塊または＜３＞に記載の銅合金材料を切削加工して形成した銅合金部品。
なお、本発明においてＤＡＳ（単位：μｍ）の値は以下の測定方法によって得られたものとする。
鋳塊製出（鋳造）中において、主要な脱熱方向と平行にデンドライトの幹１（主軸）が成長し、これと直角な方向に２次アームが成長する。測定面を脱熱方向を含む面とし、その面内にある、エッチング処理後に光学顕微鏡で観察し、２次アームを横切る直線を引くことによって、直線長さと直線を横切ったアーム数からデンドライト２次アームスペーシング（ＤＡＳ）を見積もることができる。
硫化物のサイズと面積率は、鋳塊視野の任意の３か所の横断面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてそれぞれ３視野について組織観察を行うことにより求めた。サイズ（平均径）は、１視野当たり２０個の化合物のサイズを測定し、その平均をとった。面積率は、１視野に見られる硫化物の数をカウントし、硫化物を円と仮定して平均径より求めた面積を乗じることで硫化物の１視野当たりの総面積を求め、１視野の面積で除することで求めた。

本発明は鋳塊への硫黄の添加方法により、銅中または大気中の酸素、水蒸気と硫黄との反応を回避することによって鋳塊中に良好に硫化物を形成させることができる。この鋳塊を加工することによって得られる銅合金材料は、強度および導電性に優れ、さらに鉛やベリリウムなどの環境負荷物質を利用することなく被削性に優れたものとなる。また、本発明の銅合金鋳塊、銅合金材料は、切削加工により製造される電子機器等の部品用材料として好適である。
さらに、ＤＡＳの制御によって切削性に寄与する硫化物を良好に形成できるほか、径または厚みが２００ｍｍを超えるビレットやケークを熱間加工する前の再熱時において、鋳塊中の残留歪による再熱割れを回避できる。

実施例における本発明例と比較例の合金材料について、硫黄濃度に対してＤＡＳをプロットしたグラフである。

本発明の銅合金鋳塊および銅合金材料について、詳細に説明する。なお、本発明における「鋳塊」は、鋳造を経た銅合金の塊であればいかなる形状でもよく、連続鋳造による板状のものなども含む。
まず、各合金元素の作用効果とその含有量の範囲について説明する。

本発明の銅合金鋳塊および銅合金材料におけるニッケル（Ｎｉ）とケイ素（Ｓｉ）は、ＮｉとＳｉの含有比を制御することにより金属生地（マトリクス）中にＮｉ−Ｓｉ析出物（Ｎｉ_２Ｓｉ）を形成させて析出強化を行い、銅合金の強度および導電性を向上させるために添加する。このＮｉ−Ｓｉ析出物（Ｎｉ_２Ｓｉ：析出強化のための析出物）は、被削性の向上にはあまり寄与しない。

本発明の銅合金鋳塊および銅合金材料においては、硫黄（Ｓ）の添加によりマトリクス中に硫化物を形成させる。この硫化物が、切削加工を行った時の切削屑分断の起点として作用することで切削屑が細かく分断されやすくなり、被削性が向上する。また、鋳塊中のＤＡＳを制御することで硫化物のサイズが、硫黄濃度を規定することで硫化物の個数密度が制御されて切削屑分断性が向上し、さらに熱間および冷間における加工性を損なわなくなることにより、押出、圧延、引抜きなどの展伸加工が可能となる。

Ｎｉの含有量は１．５〜７．０ｍａｓｓ％（質量％）であり、１．７〜６．５ｍａｓｓ％であることが好ましい。Ｎｉ量が少なすぎると、Ｎｉ−Ｓｉ析出物による析出硬化量が小さく強度が不足する。Ｎｉ量が多すぎると、過剰であるため強度向上に寄与するＮｉ−Ｓｉ析出物量が増加しないだけでなく、溶解鋳造時にＮｉ−Ｓｉ晶出物が多く形成して熱間および冷間加工性を悪化させるため好ましくない。

Ｓｉの含有量は、Ｎｉ−Ｓｉ析出物（Ｎｉ_２Ｓｉ）の形成においては、質量％で計算するとＮｉ含有量の約１／５〜１／３の量が必要となる。このことから、本発明において、Ｓｉの含有量は０．３〜２．３質量％であり、０．３４〜２．２質量％であることが好ましい。

さらに、本発明の銅合金鋳塊および銅合金材料は、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、りん（Ｐ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する。これらの元素は、固溶し、または析出物を形成することでＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の強度を向上させ、あるいは硫化物を形成して被削性を向上させる。含有量は合計で０．０５〜２．０ｍａｓｓ％とする。少なすぎる場合は、強度向上や被削性改善の効果が小さい。また、多すぎる場合は、強度および被削性向上の効果が飽和するだけでなく、導電率が低下するため得策ではない。

本発明の銅合金鋳塊の第一の実施形態においては、硫化物について、平均粒径が０．５〜１０μｍ、個数密度が１００〜５００個／ｍｍ^２となる必要がある。そのためには、ＤＡＳを３７〜１０８μｍ（好ましくは４０〜１００μｍ）、硫黄（Ｓ）の含有量は０．０２〜１．０ｍａｓｓ％（好ましくは０．０３〜０．８ｍａｓｓ％）とする必要がある。ＤＡＳが小さすぎると硫化物のサイズが小さくなって、硫化物の切削加工時に発生する切削屑を細かく分断する作用が得られない。ＤＡＳが大きすぎると硫化物のサイズが過大となって熱間加工や冷間加工を施した時に割れを生じさせ、展伸材として使用できなくなる。硫黄の含有量が少なすぎると硫化物の面積率が小さく、十分な切削屑分断性が得られない。硫黄の含有量が多すぎると熱間加工性および冷間加工性が悪化する。
本発明においては晶出物サイズを規定することによって所望の強度を得ることを目的としており、従来の銅合金における硫化物のサイズ制御とは目的が異なっている。

本発明の銅合金鋳塊の第二の実施形態においては、硫黄の含有量（Ｓ（ｍａｓｓ％））とＤＡＳ（ｄ（μｍ））が以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係を満たす。
（ａ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．０４以上０．１未満の場合
５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜３１．７×［Ｓ（ｍａｓｓ％）］^０．５
（ｂ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．１以上０．２５未満の場合
５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜１０
（ｃ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．２５以上１．０以下の場合
１０×［Ｓ（ｍａｓｓ％）］^０．５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜１０
このような関係を満たすようにＤＡＳを制御することで、鋳塊中の硫化物はデンドライトのアーム間隙で形成されるため、硫化物が所望の粒径（３７〜１０８μｍ）となる。また粒径、硫黄の含有量が決まれば数密度が一義的にきまり、数密度も所望の値（１００〜１０００個／ｍｍ^２）となり、切削加工の際に生じる切削屑が細かくなり、切削性向上の効果を奏する。

次いで、本発明の銅合金材料の機械的特性について述べる。
本発明の銅合金材料は、鉛を含有するりん青銅やベリリウム銅の代替、すなわち環境負荷物質を含有する銅合金材料の代替を目指すものであり、これらと同等の強度を要する。そのため、実用上要求される強度および導電性として、引張強さ５００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上が必要である。

本発明の銅合金材料は時効析出型であり、前述のようにＮｉ２Ｓｉを形成させることで強度、導電性を向上させており、そのために前述の量のＮｉとＳｉを含有させる。また、鋳塊製出後の製造工程における溶体化熱処理温度は７５０〜１０００℃の範囲が好ましく、時効熱処理温度は３５０〜６００℃×２時間の範囲が好ましい。

本発明において、銅合金材料の製造方法に特に制限はなく、上記本発明の銅合金鋳塊に熱間加工、冷間加工、および熱処理から選ばれる少なくともひとつの処理を施して得られる。本発明の銅合金材料は、時効析出型銅合金であるため、少なくとも銅合金原料の溶解鋳造工程の後に時効熱処理工程は必須となるが、熱間加工工程、冷間加工工程、焼鈍工程、溶体化熱処理工程は必要に応じて行うこととなる。例えば、熱間加工工程に関しては、ビレットの熱間押出、鋳塊の熱間鍛造、あるいは連続鋳造などの製造方法のいずれでも本発明の銅合金材料を製造することが可能である。
また、製品の形状は特に制限はなく、後工程である切削工程により最終形態である銅合金部品を得やすい形状としておくことが好ましい。すなわち、銅合金部品の用途により線、棒、条、板、管などの所定の形状の銅合金材料として製造し、使い分ければ良い。例えば、最終形態の銅合金部品がねじである場合は、銅合金材料の形状は丸棒状であることが好ましい。

本発明の銅合金部品は、上記本発明の銅合金鋳塊または銅合金材料を切削加工して得られたものであれば、その形状、用途等に特に制限はない。切削加工は複雑な形状を持つ部品や寸法精度の高い部品を製造するのに適しているため、このような部品が好ましい。本発明の銅合金部品としては電子機器、精密機械、自動車等に用いる部品（電子機器部品、構造部品、要素部品など）があり、具体的には以下のものが挙げられる。
電子機器部品としては電子部品用コネクタ（例えば同軸コネクタのオスピン、メスピン）や、ＩＣソケットやバッテリ端子コネクタに使用されるプローブのバレルおよびプランジャー材、オーディオケーブルのコネクタ端子などが挙げられる。構造部品としては、ねじ、アンテナのヒンジ、ファスナー、ベアリング、ガイドレール、抵抗溶接機、時計などが挙げられる。要素部品としては、歯車、軸受け、金型のイジェクトピンなどが挙げられる。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

（実施例１）
表１の合金成分で示される組成の銅合金を高周波溶解炉にて溶解し、各ビレットを鋳造した。ここで鋳型の内寸は２５ｍｍφ〜１５０ｍｍφ×７５０ｍｍとし、ヒーター加熱および空冷、または水冷が可能な鋳型を用いて、種々のＤＡＳが得られるように制御した。
具体的には、前記ビレットを９５０℃で熱間押出して、直ちに水中焼入れを行い、丸棒を得た。次いで前記丸棒を冷間にて引抜きを行い、直径１０ｍｍの丸棒を製造し、さらに４５０℃で２時間時効熱処理を行った。

このようにして得られた各々の丸棒について、［１］引張強度、［２］導電率、［３］被削性を下記方法により調べた。各評価項目の測定方法は以下の通りである。
［１］引張強度
ＪＩＳＺ２２４１に準じて３本測定しその平均値（ＭＰａ）を示した。
［２］導電率
四端子法を用いて、２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で、各試料について２本ずつ測定し、その平均値（％ＩＡＣＳ）を示した。
［３］被削性
汎用旋盤を用いて切削実験を行い、切削屑の形態を観察した。切削屑が長さ５ｍｍ以下に分断されるものは良、切削屑が分断されるがその長さが５ｍｍを超えて１０ｍｍ以下のものは可、切削屑が分断されるがその長さが１０ｍｍを超えるもの（切削屑が分断されないものを含む）は不可とした。実用上問題が生じないのは良および可である。なお切削条件は、切削速度を３０ｍ／分、送り速度を１回転あたり０．１ｍｍ、切り込み代を０．２ｍｍ、とした。バイトは超硬製のものを用い、切削油は不使用とした。

また、硫化物のサイズと面積率は、直径１０ｍｍの丸棒の任意の３か所の横断面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてそれぞれ３視野について組織観察を行うことにより求めた。サイズ（平均粒径）は、１視野当たり２０個の化合物のサイズを測定し、その平均をとった。個数密度は、１視野に見られる硫化物の数をカウントし、１視野の面積で除することで求めた。
また、ＤＡＳは以下の方法により測定した。
鋳塊製出（鋳造）中において、鋳型と鋳塊が接する面の鉛直方向が主要な脱熱方向となるこれと平行にデンドライトの幹１（主軸）が成長し、これと直角な方向に２次アームが成長する。脱熱方向を含む面内にあるデンドライト組織を、エッチング処理後に光学顕微鏡で１００倍の倍率にて観察し、２次アームを横切る直線を引くことによって、直線長さと直線を横切ったアーム数からデンドライト２次アームスペーシング（ＤＡＳ）を見積もった。

表１に結果を示す（表１中、上記平均粒径を粒径として示した（単位μｍ）。ＤＡＳの単位はμｍ、数密度の単位は個／ｍｍ^２である。）。図１は、本発明例と比較例の各銅合金材料の硫黄濃度に対するＤＡＳをプロットしたグラフであり、発明範囲閾値として囲んだ範囲内は上記（ａ）〜（ｃ）で示した関係を満たしている。
比較例１〜９は、合金成分が本発明で規定する要件を満たしていない例である。比較例１および３はＮｉ濃度およびＳｉ濃度が低く、引張強さが劣っている。比較例２はＮｉ濃度およびＳｉ濃度が高く、導電率が劣っている。比較例４はＮｉ濃度およびＳｉ濃度が高く、冷間加工時に割れが生じた。比較例５はＳ濃度が低く硫化物の面積率が小さくなり被削性が劣った。比較例６および７はＳ濃度が高く硫化物の面積率が増加し、熱間加工時に割れが発生した。比較例８および９は、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｚｎの総量が２．０ｍａｓｓ％を越え、導電率が劣った。
また、比較例１０〜１２はＤＡＳが発明範囲閾値をはずれ、硫化物の粒径が所望の値（５〜１０μｍ）とならずに、切削性が悪くなった。
これに対し、本発明例１〜２５は、何れも引張強さ５００ＭＰａ以上、導電率２５％ＩＡＣＳ以上を満足している。また、硫化物の平均粒径は５〜１０μｍを、硫化物の個数密度は１００〜１０００個／ｍｍ^２を満足しており、材料加工中の割れはなく、被削性も満足している。いずれも電子機器、精密機械、自動車等の部品に切削加工するのに好適な材料であることがわかる。

Claims

Ｎｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％、Ｓｉを０．３〜２．３ｍａｓｓ％、Ｓを０．０４〜１．０％を含有し、さらに、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、およびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種を総量で０．０５〜２．０ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなり、
硫黄の含有量（Ｓ（ｍａｓｓ％））とＤＡＳ（ｄ（μｍ））が下記（ａ）、（ｂ）、または（ｃ）の関係を満たすことを特徴とする銅合金鋳塊。
（ａ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．０４以上０．１未満の場合
５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜３１．７×［Ｓ（ｍａｓｓ％）］^０．５
（ｂ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．１以上０．２５未満の場合
５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜１０
（ｃ）［Ｓ（ｍａｓｓ％）］が０．２５以上１．０以下の場合
１０×［Ｓ（ｍａｓｓ％）］^０．５＜０．５×ｄ（μ）^０．６４＜１０
前記鋳塊中のＤＡＳが３７〜１０８μｍ、鋳塊中に分散している硫化物の平均粒径が５〜１０μｍ、個数密度が１００〜１０００個／ｍｍ ^２であることを特徴とする請求項１に記載の銅合金鋳塊。
請求項１または２に記載の銅合金鋳塊に熱間加工、冷間加工、および熱処理から選ばれる少なくともひとつの処理を施して得られ、引張強さが５００ＭＰａ以上、導電率が２５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする銅合金材料。
請求項１または２に記載の銅合金鋳塊または請求項３に記載の銅合金材料を切削加工して形成した銅合金部品。