JP5887449B2 - 銅合金、冷間圧延板材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は銅を主成分とする銅合金、銅合金からなる冷間圧延板材および冷間圧延板材の製造方法に関するものである。

銅合金は、従来から、そのすぐれた強度、熱伝導性、導電性、耐食性、耐摩耗性等を生かし、電子部品、装飾品、耐食部材等の幅広い分野で利用されているが、この中でも、アルミニウム青銅と呼ばれるＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金は、高強度で、耐食性及び耐摩耗性が良いことで知られている。

例えば、特許文献１には、自動車のトランスミッション機構のミッションギアー及びモーター回転子等に使用されるスペーサ等の素材として使用される高力銅合金であって、耐摩耗性が要求される高力銅合金として、４〜８重量％のＡｌ、０．５〜５重量％のＮｉ、０．５〜５重量％のＦｅ、０．０１〜０．５重量％のＣｒ、０．０１〜０．５重量％のＭｎ及び０．１〜５重量％のＺｎを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる、耐摩耗性高力銅合金が提案されている。

特許文献２には、良伝導性とすぐれた耐食性、機械的強度を備える銅合金として、１〜７重量％のＡｌ、１．５〜６重量％のＮｉ、０．５〜５重量％のＦｅ、０．１〜２．５重量％のＭｎ、０．００１〜０．０５重量％のＢ、０．５〜８重量％のＺｎ、残部Ｃｕからなる析出硬化型銅合金が提案されている。

特許文献３には、装飾用アルミ青銅として、５〜７重量％のＡｌ、０．２〜１．５重量％のＮｉ、０．２〜１．０重量％のＦｅの他に、０．０５〜０．１重量％のＭｎ、０．０１〜０．０５重量％のＣｒ、０．００２〜０．００５重量％のＧｅ、０．００２〜０．００５重量％のＴｉのうち２種以上を含有し残部Ｃｕからなるアルミニウム青銅が、また、５〜７重量％のＡｌ、０．２〜１．５重量％のＮｉ、０．０１〜０．０５重量％のＣｒ、０．００２５〜０．００５重量％のＳｉ、０．００２〜０．００５重量％のＴｉ、残部Ｃｕからなるアルミニウム青銅が提案されている。

特許文献４には、耐食性、耐変色性、鋳造性、展延性に優れたアルミニウム青銅として、５〜９重量％のＡｌ、０．２〜４重量％のＮｉ、０．０１〜０．２重量％のＣｒの他に、０．１〜０．５重量％のＦｅ、０．００２５〜０．２重量％のＢｅ、０．００１〜０．０１重量％のＴｉ、０．００２５〜０．２重量％のＧｅのうちの２種以上を含有し、残部が実質的にＣｕからなるアルミニウム青銅が提案されている。

特許文献５には、耐変色性を有し、美術工芸品、装身具、食器類、展伸材、鋳造品等として好適な合金として、５〜９重量％のＡｌ、１〜４重量％のＮｉ、０．００５〜０．３重量％のＩｎの他に、０．１〜０．５重量％のＭｎ、０．００１〜０．０１重量％のＣｏ、０．００２５〜０．２重量％のＢｅ、０．００１〜０．０１重量％のＴｉ、０．０５〜０．２重量％のＣｒ、０．００１〜０．５重量％のＳｉ、０．００５〜０．５重量％のＺｕ、０．００３〜０．４重量％のＳｎ、０．００２５〜０．２重量％のＧｅのうちの一種又は二種を含有し、残部Ｃｕからなる銅合金が提案されている。

特開平５−３１１２８６号公報 特開平１０−２９８６７８号公報 特開２０００−３３６４４０号公報 特開２００２−６０８６７号公報 特開２００４−１４３５７４号公報

上記従来のＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金は、強度、熱伝導性、導電性、耐食性、耐摩耗性等には優れるものの、冷間加工することが困難であったため、熱間加工による厚物の製造が主流であって、冷間加工によって得られる条材又は薄板の量産は、限定的に行われているのみであった。
なお、上記特許文献１では、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金に、０．０１〜０．５質量％のＣｒ、０．１〜５質量％のＺｎを含有させ、加工性を改善する試みもなされているが、加工性が十分であるとはいえない。
また、上記特許文献２においても、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金に、Ｂを０．００１〜０．０５質量％、およびＺｎを０．５〜８質量％の範囲内で含有させることによって、析出硬化を図るとともに、加工性の改善を図る試みもなされているが、加工性が向上する効果が、十分であるとはいえない。
このため、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金の用途は、鋳物品及び鍛造品等の厚物材料として利用されることが多く、冷間加工によって得られる条材及び薄板材料としての利用は、実際上限られているのが現状である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷間加工が難しいとされていたＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金の冷間加工性を向上させ、その薄板化及び条材化を容易としたＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金、当該合金からなる冷間圧延板材および当該冷間圧延板材の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の銅合金は、１〜７質量％のＡｌと、２〜４質量％のＦｅと、０．８〜４質量％のＮｉと、０．５質量％以下のＭｎと残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有する銅合金である。当該銅合金は、０．１質量％以下のＺｎを更に含んでも良い。

本発明は、別の側面で、冷間圧延板材であり、当該冷間圧延板材は、１〜７質量％のＡｌと、２〜４質量％のＦｅと、０．８〜４質量％のＮｉと、０．５質量％以下のＭｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなり、厚みが１〜２ｍｍの冷間圧延板材である。前記銅合金は、０．１質量％以下のＺｎを更に含んでも良い。

本発明は、別の側面で、冷間圧延板材の製造方法であり、当該製造方法は、１〜７質量％のＡｌと、２〜４質量％のＦｅと、０．８〜４質量％のＮｉと、０．５質量％以下のＭｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有する銅合金の鋳塊を熱間鍛造して厚板状の分塊とする熱間鍛造工程と、前記分塊を加熱して熱間圧延して圧延材を得る熱間圧延工程と、前記圧延材を焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程後、冷間圧延して冷間圧延材を得る冷間圧延工程と、を少なくとも含む、冷間圧延板材の製造方法である。前記銅合金は、０．１質量％以下のＺｎを更に含んでも良い。

本発明によれば、従来材の強度、耐食性の水準を維持しつつ加工性を向上させることができるため、その薄板化及び条材化を容易とし、強度、耐食性、耐摩耗性が求められる幅広い分野に適用することが可能となる。結果として、冷間圧延による加工性に優れた銅合金を提供することができる。また、優れた機械特性を有する冷間圧延板材を提供することができる。

以下に、本発明の銅合金を構成する合金成分を添加する理由及びその添加量の範囲について説明する。

［Ａｌ］
Ａｌは、主に固溶強化により銅合金の母相を強化すると共に、耐食性を向上させる元素である。銅合金中のＡｌの含有量が１質量％未満の場合には、強度と耐食性の向上効果を期待することはできない。一方、Ａｌの含有量が７質量％を超えると、銅合金の強度は向上するものの、靭性および延性が低下し、特に冷間加工性が悪くなる。このため、本発明では、銅合金中のＡｌの含有量を１〜７質量％と定めた。なお、強度を低下させることなく加工性を高めるという観点からは、Ａｌの含有量の下限を４質量％、上限を７質量％とすることが望ましく、下限を５質量％、上限を６質量％とすることがさらに望ましい。

［Ｆｅ］
Ｆｅは、銅合金の組織を微細化する上で重要である。組織を微細化する結果として、銅合金の強度及び耐摩耗性や疲労強度などを向上させることができる。また、鋳造時にも組織を微細化させる効果が、ある程度期待できる。同時に添加するＮｉの量に影響を受けるものの、Ｆｅの含有量が２質量％未満の場合は、強度および耐摩耗性や疲労強度の向上といった効果が十分に得られない。また、Ｆｅの含有量が４質量％を超える場合は、かえって冷間加工性が悪くなる。このため、Ｆｅの含有量は２〜４質量％と定めた。

［Ｎｉ］
Ｎｉは、Ｆｅと共に添加することで銅合金へのＦｅの溶解度を増加し、Ｆｅを添加することにより得られる効果を高める。また、Ｎｉは銅合金の耐力を向上させるが、特に高温での耐摩耗性を向上させる。Ｎｉの含有量が０．８質量％未満の場合は、このような効果が不十分であり、一方、Ｎｉの含有量が４質量％を超える場合は、延性が低下するため加工性の低下を招く。したがって、Ｎｉの含有量を０．８〜４質量％と定めた。

［Ｍｎ］
Ｍｎはβ相を安定化させることができる。Ｍｎの含有量が０．５質量％を超える場合は加工性ではなく薄板の耐食性の観点で不利となる。このため、Ｍｎの含有量は０．５質量％以下と定めた。また、Ｍｎはα相に固溶し、強度及び耐摩耗性の向上に寄与するが、０．０１質量％以下ではその効果が得られず、一方０．５質量％を超えると耐食性能の低下を招くことから、Ｍｎの含有量は、下限が０．０１質量％、上限が０．５質量％であることが好ましい。

［Ｚｎ］
ＺｎもＭｎと同様、α相に固溶し、強度及び耐摩耗性の向上に寄与する。そのため、より一層、銅合金の強度及び耐摩耗性の向上をはかる場合は、必要に応じて添加することができる。Ｚｎの含有量が０．１質量％を超えると、靭性及び耐食性を低下させることから、Ｚｎの含有量は０．１質量％以下とする。Ｚｎの含有量の下限は、添加の効果が認められる０．０１質量％であることが好ましい。

上記合金成分の組成から成る銅合金からなる冷間圧延板材は、その厚みが１〜２ｍｍであればよい。本発明の冷間圧延板材は、機械特性に優れ、引張強さが３５０〜６９０ＭＰａ、耐力が２３０〜４４０ＭＰａ、および伸びが２５〜４０％である。

本発明の冷間圧延板材の製造方法は、熱間鍛造工程と、熱間圧延工程と、焼鈍工程と、冷間圧延工程と、を少なくとも含む。前記熱間鍛造工程は、１〜７質量％のＡｌと、２〜４質量％のＦｅと、０．８〜４質量％のＮｉと、０．５質量％以下のＭｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有する銅合金の鋳塊を熱間鍛造して厚板状の分塊とする工程である。前記熱間圧延工程は、前記分塊を加熱して熱間圧延して圧延材を得る工程である。前記焼鈍工程は、前記圧延材を焼鈍する工程である。前記冷間圧延工程は、前記焼鈍工程後、冷間圧延して冷間圧延材を得る工程である。本発明の冷間圧延板材の製造方法は、上記工程の他、前記冷間圧延材に更に最終焼鈍工程を含むことができる。

以下に、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。

所定の成分組成となるようにＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＺｎを配合し、これを溶解炉で溶解して溶湯を得た。この溶湯を、鋳型を用いて鋳造して、直径約７０ｍｍ、高さ約８０ｍｍ程度の円柱状の銅合金鋳塊を製造した。表１に、本発明の銅合金鋳塊の成分組成を示す。
また、比較のため、所定の成分組成となるように原料成分を配合し、溶解炉で溶解した溶湯を鋳造して、表２に示す比較例の成分組成の銅合金鋳塊を製造した。

次いで、これらの鋳塊を熱間鍛造することにより、厚さが約１０ｍｍの厚板状の分塊を製造した。

この厚板状の分塊を、９００℃に加熱後、約４ｍｍの厚さになるまで熱間圧延した。そして、さらに９００℃で１時間加熱する中間焼鈍を施した。

最後に、約５０％の冷間圧延を施して、最終的に厚さが１．８ｍｍの冷間圧延板材を得た。表３に、冷間圧延板材の最終板厚と、冷間圧延加工をした際の加工性の良否を示す。なお、圧延途中で、板端割れ（耳割れ）が発生したものについては、その旨を表３に記した。

その後、これらの冷間圧延板材に８８０℃で０．１時間加熱する最終焼鈍を施した。次いで、最終焼鈍を施した冷間圧延板材を試験材として、各試験材から圧延方向に平行に切り出したＪＩＳ Ｚ２２４１ ５号試験片を使用して引張試験を行い、引張強さ、耐力及び伸びを測定した。表４に、引張試験の結果を示す。

表３、表４に示す結果から明らかなように、比較銅合金１〜４は、いずれも、冷間圧延時に板端割れが発生した。一方、本発明に係る銅合金１〜４は、いずれも、板端割れ発生を生じずに加工することが可能であり、冷間圧延加工において、加工性に優れることが分かった。また、本発明に係る銅合金１〜４は、引張試験において比較銅合金１〜４と同程度の機械的特性を示すことを確認した。

以上説明したように、本発明によれば、冷間加工が難しいとされていたＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の銅合金の冷間加工性を向上させ、しかも、従来材と遜色のない機械特性を備える銅合金を提供できることから、その薄板化及び条材化を可能とし、これによりさらに幅広い分野への展開および進出が可能となる。

Claims (5)

1. １〜７質量％のＡｌと、２〜４質量％のＦｅと、０．８〜４質量％のＮｉと、０．５質量％以下のＭｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなり、厚みが１〜２ｍｍの冷間圧延板材。
2. 前記銅合金は、０．１質量％以下のＺｎを更に含む請求項１に記載の冷間圧延板材。
3. 引張強さが３５０〜６９０ＭＰａ、耐力が２３０〜４４０ＭＰａ、および伸びが２５〜４０％である機械特性を有する請求項１または２に記載の冷間圧延板材。
4. １〜７質量％のＡｌと、２〜４質量％のＦｅと、０．８〜４質量％のＮｉと、０．５質量％以下のＭｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有する銅合金の鋳塊を熱間鍛造して厚板状の分塊とする熱間鍛造工程と、
   前記分塊を加熱して熱間圧延して圧延材を得る熱間圧延工程と、
   前記圧延材を焼鈍する焼鈍工程と、
   前記焼鈍工程後、冷間圧延して冷間圧延材を得る冷間圧延工程と、
   を少なくとも含む、冷間圧延板材の製造方法。
5. 前記銅合金は、０．１質量％以下のＺｎを更に含む請求項４に記載の冷間圧延板材の製造方法。