JP6210563B2 - ばね用銅合金線材、該ばね用銅合金線材の製造方法、並びにばね、該ばねの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車載用途などの大電流分野で使用される、高い導電性、熱伝導性、高い強度、優れた耐へたり性を有するばね用銅合金線材、該ばね用銅合金線材の製造方法、並びにばね、該ばねの製造方法に関する。

近年、ガソリンエンジン、ディーゼル内燃機関だけを搭載して駆動する車両（車、バス、トラックなど）の増加率よりも、電気モーターを併用させて駆動させるハイブリッド車両、および、電気モーターのみで駆動する電気自動車など多岐にわたる様々な駆動方式の増加率の方が高く、多くの駆動方式が提案、実用化されている。

その中で、電気モーター駆動を活用する方式では、その効率を向上させる目的で、数百ボルトの高い電圧、かつ、同時に細かな制御を行う目的で数百から数千ヘルツの周波数を持つ制御された電流が用いられている。

その電流を作り出しているのがいわゆるパワー半導体であり、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がそれらの車両に搭載されている。なお、このＩＧＢＴは、高速動作が可能で、且つ高耐圧、低オン抵抗である点で優れており、また、直流を交流に、あるいは交流を直流に変換する機能も有している。

ＩＧＢＴは、パワー半導体の集合体であり、従来、それら複数のパワー半導体に対して、はんだ付けやワイヤーボンディングなどを施すことにより、外部回路との電気的な接続を確保していた。しかしながら、はんだに含まれる物質の環境に与える影響への対策や、ワイヤーボンディングによる組立および交換工数の削減などの技術が求められている。そこで、はんだ付けやワイヤーボンディングに代えて、ばねを用いた端子による電気的接続が検討されてきたが、従来のばね端子による電気的接続は、そのばねの性能上信頼性が低く、ばね端子による電気的接続を採用した例は少なかった。これは、上記電気的接続に用いられるばね用線材では、十分な導電性（抵抗が低い）及び長期的なばね性（耐へたり性）を確保することができず、結果として信頼性の高い電気的接続を確保することができないという問題があったためである。そこで近年、高導電性及び耐へたり性の双方の特性を具備するばね用線材の研究が進められている。

従来、上記のような電気的接続に使われるばね用線材の材料の一例として、導電性に優れた銅および銅合金が有利であることが知られている。例えば、純銅のＪＩＳ Ｃ１１００Ｗは、タフピッチ銅と呼ばれ、優れた導電性を示し、１００％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ）であるが、引張強度が約２００ＭＰａ〜２５０ＭＰａ程度しか得られない。一方、銅合金のＪＩＳ−Ｃ２６００Ｗは黄銅と呼ばれ、引張強度は強加工を施した材料では１０００ＭＰａを越えるものの、導電率は２８％ＩＡＣＳしか得られない。同様に、ＪＩＳ Ｃ５１９１Ｗ（りん青銅）も導電率が低い。なお、ＪＩＳ Ｃ１１００Ｗ、Ｃ２６００Ｗ、Ｃ５１９１Ｗも、パワー半導体の発生する熱によりへたりが発生する。そこで、これらの純銅および銅合金以外の材料が必要である。

なお、上記純銅および銅合金以外に、ステンレス、チタン合金などもばね用線材の候補であったが、これらは銅合金等と比較して強度が高いものの、導電性が著しく低い。
また、近年の車両制御の更なる複雑化、高速化に伴い、パワー半導体の高速スイッチングによって生じる熱への対策を講じる必要がある。

車両内のパワー半導体と外部回路との電気的接続に使用されるばね用線材に求められる特性を整理すると、下記となる。すなわち（１）高い接圧を維持するための高い強度、（２）電流をロスなく通達するための高い導電性、（３）半導体で発生した熱を逃がすための高い熱伝導性、及び（４）熱による耐へたり性である。よって、これらをバランスよく有することが、ばね用線材で用いられる最適な材料と考えられる。なお、銅合金の場合、導電率と熱伝導率は、ヴィーマンフランツの法則に基づく下記式で比例関係にあるため、上記（２）と（３）は、同等の特性とみなすことができる。
λ／σ＝ＬＴ
（但し、λ：熱伝導度、σ：電気伝導度、Ｌ：ローレンツ数、Ｔ：絶対温度）

また、熱によるへたりあるいは耐へたり性は、熱クリープ特性、または、応力緩和特性として言い換えることができ、同意語、同等の機能を示しているとみなせる。そこで本明細書では、上記（４）熱による耐へたり性の評価として、荷重ロス試験で数値化を行った。

上記４つの特性を満たすことができるかを、市販の銅合金を調査した結果、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金（コルソン銅）がいずれの特性も優れていると判断された。なお、Ｃｕ−Ｂｅ合金（ベリリウム銅）もこれらの特性を満足する可能性があるが、Ｃｕ−Ｂｅ合金は、その生産過程、あるいは安易に破棄して燃焼した場合、空気中の酸素によりベリリウムが酸化されてベリリア（酸化ベリリウム）となる。国際化学物質安全性カードによれば、このベリリアは発がん性物質であり、水生生物に対して毒性が非常に強いとあり、環境負荷物質の一つと考えられる。

よって、発明者らは市販のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金に焦点を当て調査したが、本発明者らの求める特性、並びにその評価基準となる値を満たす合金は、市販（従来）のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金では見つからなかった。そこで本発明者らは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金に焦点を絞って、各特性を満たすＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の材料開発を進めるに至った。

Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金からなる従来のばね用線材、および該線材を巻回したばねとしては、下記のようなものが提案されている。

例えば、特許４１７７２６号公報では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金で導電率が２０〜６０％ＩＡＣＳ、引張強度が１０００ＭＰａ〜１３００ＭＰａの線材である。耐応力緩和特性に優れる特徴が記載されている。また、これらの特性を達成するために溶体化処理→時効処理、溶体化処理→時効処理→伸線加工、溶体化処理→伸線加工、溶体化処理→伸線加工→時効処理、溶体化処理→伸線加工→時効処理→伸線加工の工程が記載されている。この溶体化処理では、線材を７００〜９５０℃で１０分以上、より好ましくは８００℃以上９５０℃以下で１０分以上１８０分以下、さらに好ましくは８５０〜９５０℃で１０分以上１２０分以下保持している。

特許５５７８９９１号公報では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金で引張強度が１３００ＭＰａ以上で、耐応力緩和特性と疲労特性に優れた線材が記載されている。また、これらの特性を達成するために、溶体化処理、伸線加工、時効処理を行うが、この溶体化処理では、線材を７００〜９５０℃で１０分以上、より好ましくは８００℃以上９５０℃以下で１０分以上、好ましくは１０分〜３０分間保持している。

特許５３０６５９１号公報では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金で平均結晶粒径が２．２〜５．０μｍとし、屈曲性が優れる配線用電線導体が記載されている。この結晶粒径を小さくするために、好ましくは７００〜１０００℃、より好ましくは８００〜９５０℃に加熱して熱間押出し、直ちに水中焼入れを行っている。

特許５５２０４３８号公報では、様々な銅合金の製法が記載され、その中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金がある。この製法では、８００℃以上の温度で５秒以下の時間、次いで、３００℃から６００℃の範囲の温度で５秒以下の時間、さらに、３００℃から６００℃の範囲の温度で１０秒超から１２００秒間、走間加熱する。また、連続焼鈍を繰り返すことによって時効処理を行うことができることが記載されている。なお、生産性の高い線材の焼鈍方式として、加熱した炉内に線材を連続的に通す走間焼鈍、および、線材に電流を流し自身から発生するジュール熱により焼鈍を行う電流焼鈍が記載されている。

また、特開２０１４―１９６５６４号公報には、合金の系は異なるが、結晶粒径が５μｍ以下の材料と、その材料を用いて得られたばねを、加熱温度２５０〜５５０℃で、３０時間以下の範囲で加熱後、冷却速度３０℃／ｓｅｃ、以上で急速処理する時効処理の段階を含むことが記載されている。

特許４１７７２６６号公報 特許５５７８９９１号公報 特許５３０６５９１号公報 特許５５２０４３８号公報 特開２０１４―１９６５６４号公報

しかしながら、上記特許文献に記載されたいずれの技術でも、発明者らが要求する特性を有する銅合金を得ることができず、また、製造原価についても発明者らの意図より高額であることが分かった。その理由は次の通りである。

先ず、特許４１７７２６６号公報の技術では、引張強度が１０００ＭＰａを越えるためには、結晶粒径を５μｍ以下にするまで強加工を行う必要がある。一方、結晶粒径は耐へたり性と相関があり、結晶粒径が５μｍ以下では耐へたり性を満足できない。よって本技術では、所望の引張強度、耐へたり性の双方を得ることができず、また、この溶体化処理では、線材を高温で１０分間以上加熱することが必要であり、コスト高になる。

同様に、特許５５７８９９１号公報の技術でも、引張強度が１３００ＭＰａを超えるためには、結晶粒径を５μｍ以下にするまで強加工を行う必要がある。一方、結晶粒径は耐へたり性と相関があり、結晶粒径が５μｍ以下では耐へたり性を満足できない。よって本技術では、所望の引張強度、耐へたり性の双方を得ることができず、また、この溶体化処理では、線材を高温で１０分間以上の加熱が必要であり、コスト高になる。

また、特許５３０６５９１号公報の技術では、結晶粒径が５μｍ以下であり、耐へたり性を満足できない。

特許５５２０４３８号公報の技術では、連続焼鈍を繰り返し、実施例では９００秒と長時間の熱処理時間が必要なことから、コスト高となる。

なお、特開２０１４―１９６５６４号公報の技術は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金以外の合金に関するものであり、本発明の参考にすることはできない。

上記のような課題に鑑み、本発明の目的は、（１）高い接圧を維持するための高い強度、（２）電流をロスなく通達するための高い導電性、（３）半導体で発生した熱を逃がすための高い熱伝導性、及び（４）熱による耐へたり性をバランスよく有するばね用銅合金線材、該ばね用銅合金線材の製造方法、並びにばね、該ばねの製造方法を提供することにある。

なお、ここで耐へたり性ついて定義する。耐へたり性は数値化しにくい特性であるため、本明細書では荷重ロスの測定を行うことで評価した。

本発明者らは、鋭意研究・開発を行うことにより、耐へたり性と結晶粒径との関係を新たに知見し、種々の検討を重ねた結果、上記目的を達成するばね用銅合金線材は以下の通りである。
（１）Ｎｉを３．４〜４．２質量％、Ｓｉを０．７〜１．０質量％含有し、Ｚｎを０．４〜０．６質量％、Ｓｎを０．１〜０．５質量％、Ｍｇを０．０５〜０．２５質量％を含み、残部が銅及び不可避不純物からなるばね用銅合金線材であって、
平均結晶粒径が５μｍ超５０μｍ以下、Ｎｉ−Ｓｉ金属間化合物の平均サイズが５ｎｍ〜５０ｎｍであり、
引張強度が８００ＭＰａ〜１１００ＭＰａ、且つ導電率が３０〜４５％ＩＡＣＳであることを特徴とする、ばね用銅合金線材。
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｆｅ、ＣｏおよびＡｇの１種以上を合計で０．０３〜１．０質量％含有する、上記（１）記載のばね用銅合金線材。
（３）上記（１）又は（２）記載のばね用銅合金線材を巻回して形成されたことを特徴とするばね。
（４）コイルばね又は異形線ばねである、上記（３）記載のばね。
（５）上記（４）記載のコイルばねに、初期応力を付与し、一旦徐荷した後、前記初期応力を再び付与し、１５０℃、１０００時間で保持した後、荷重ロスが２０％以下となることを特徴とするばね。
（６）前記初期応力は、４００〜５００ＭＰａであることを特徴とする、上記（５）記載のばね。
（７）上記（１）又は（２）記載のばね用銅合金線材の製造方法であって、
溶解、鋳造後に、熱間加工を経て荒引線を形成し、その後、少なくとも溶体化熱処理および時効熱処理の各工程を行い、
前記溶体化熱処理は、８００〜１０００℃、１秒〜１０秒の熱処理を１回行い、
前記時効熱処理は、３００〜５００℃、０．５時間〜５時間で行われることを特徴とする、ばね用銅合金線材の製造方法。
（８）上記（７）記載の製造方法における前記溶体化処理後に、所定の線径を有する線材を巻回してばねを成形するコイル加工を更に有することを特徴とする、ばねの製造方法。

本発明によれば、車載用途などの導電性を有するばね用銅合金線材において、（１）高い接圧を維持するため高い強度、（２）電流をロスなく通達するための高い導電性、（３）半導体で発生した熱を逃がすための高い熱伝導性、及び（４）熱による耐へたり性をバランスよく有する銅合金を提供することができる。

本発明の実施形態に係るばねの荷重ロスと平均結晶粒径との関係を示す図である。 本実施形態に係るばねの荷重ロスと導電率との関係、及び従来材料からなるばねの荷重ロスと導電率の関係を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係るばね用銅合金線材を巻回して得られたばねの構成を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本実施形態に係るばね用銅合金線材を巻回して得られたばねの他の構成を示す図である。 本実施形態に係るばねの荷重ロス試験を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態に係るばね用銅合金の形状は特に制限されないが、「線材」が好ましい。ばね用銅合金が線材である場合、その線経または円相当直径は０．１〜２．０ｍｍ、好ましくは０．５〜１．０ｍｍである。

（１）化学組成及び結晶組織
［Ｎｉ、及びＳｉ］
Ｎｉを３．４〜４．２質量％、Ｓｉを０．７〜１．０質量％をＣｕ中に含有することで、ＮｉとＳｉからなる化合物を生じ、強度、硬度が向上すると共に導電率も回復できる。いわゆる析出強化を発現する元素である。その比率（Ｎｉ／Ｓｉ）は３〜５が望ましい。Ｎｉ量が３．４質量％以下、Ｓｉ量が０．７質量％以下では、析出強化量が少なく、逆に、Ｎｉ量が４．２質量％以上、Ｓｉ量が１．０質量％以上では、その効果が飽和すると共に、伸線加工の割れが顕著となる。

［Ｚｎ］
Ｚｎは加熱によりはんだとの密着性が低下することを防止する効果を有する。その効果は０．４質量％未満では不十分で、０．６質量％を超えると、その効果が飽和する。
また、過剰な添加は導電率の低下を招く。

［Ｓｎ］
Ｓｎは固溶強化と耐へたり性（荷重ロス）に寄与する。０．１質量％未満ではその効果が見られず、０．５質量％を超えると、導電性を阻害する。

［Ｍｇ］
Ｍｇは固溶強化と耐へたり性（荷重ロス）に寄与する。０．０５質量％未満ではその効果が現れず、０．２５質量％を超えるとその効果が飽和する。また、Ｍｇ添加により鋳造時の鋳塊の割れを防止する効果があり、その効果にはこの添加量が最適である。

［Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＡｇ］
任意成分として、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＡｇの１種以上を合計で０．０３〜１．０質量％の範囲で添加してもよい。これらの元素は、固溶強化により特性向上に寄与する。０．０３質量％未満ではその効果が認められず、１．０質量％以上では導電率を低下させる。

［平均結晶粒径］
結晶粒径は、耐へたり性（荷重ロス）と関係する。本実施形態では、結晶粒径の平均値（平均結晶粒径）が５μｍ以下であれば、耐へたり性（荷重ロス）が悪くなり、５０μｍを超えると所望の強度を得ることができない。したがって平均結晶粒径は、５μｍを超え５０μｍ以下とする。

［Ｎｉ−Ｓｉ析出物の平均サイズ］
Ｎｉ−Ｓｉ析出物の平均サイズは、５ｎｍ〜５０ｎｍである。Ｎｉ−Ｓｉ析出物の平均サイズが５ｎｍ未満であると、導電率が低く、所望の強度も得られず、また、５０ｎｍを超えると所望の強度を得ることができない。なおここでサイズとは、Ｎｉ−Ｓｉ析出物の断面をみたときの長径の長さを指し、平均サイズとはその平均値をとったものである。

（２）ばね用銅合金線材の特性
［引張強度］
ばね材として最適な特性を得るためには、８００ＭＰａ未満では強度不足で、１１００ＭＰａを超えると、下記に示す耐へたり性の劣化が著しい。よって引張強度は、８００ＭＰａ〜１１００ＭＰａの範囲内の値とする。なお、この特性を得るためには、Ｎｉ−Ｓｉ析出物の平均サイズが５ｎｍ〜５０ｎｍで、且つ平均結晶粒径が５μｍ超５０μｍ以下の金属組織を呈する。

［導電率］
導電率は３０％ＩＡＣＳ以下では、その熱を逃がす効果が不足する。もちろん、導電率は高い程良いが、コルソン合金の場合、４５％ＩＡＣＳ以上になるとＮｉ−Ｓｉ化合物の平均サイズが５０ｎｍを超えて粗大化し、強度とのバランスが悪くなる。よって導電率は３０〜４５％ＩＡＣＳの範囲内の値とする。

［荷重ロス］
耐へたり性の数値化のため、ばねの荷重ロス試験を行う。本実施形態では、初期応力４００〜５００ＭＰａ、１５０℃、１０００時間の環境条件とする。荷重ロスは、後述する式（１）を用いて算出され、３０％以下であれば、ばね用銅合金線材として十分である。

ばねの荷重ロスと平均結晶粒径との関係をプロットしたものを図１に示す。同図において、平均結晶粒径が大きくなるにつれて、荷重ロスが小さくなる傾向があり、特に１０μｍ以上の粒径では、荷重ロス１０〜１３％と低い値になっていることが分かる。本実施形態のばね用銅合金線材は、５μｍを超える平均結晶粒径を有するため、荷重ロス２０％以下とすることができる。

図２は、ばねの荷重ロスと導電率との関係を示す図である。同図において、グループＧ１は、本実施形態の代表例を示す。
また、グループＧ２は、従来材料であるベリリウム銅、グループＧ３は、従来材料であるエレメタル（登録商標）を示す。他のプロットは、本実施形態のコルソン合金以外の、従来材料である他のコルソン合金である。

図２に示すように、導電率を上げるためには、一般に純銅に近い成分を選択する必要があり、また、破線Ａ〜Ｃ（破線Ａ：平均結晶粒径０．２μｍ、破線Ｂ：平均結晶粒径１μｍ、破線Ｃ：平均結晶粒径４μｍ）で示す通り、同じ結晶粒径である場合には、ばねのへたり、すなわち荷重ロスが増加する傾向にある。一方、本実施形態では、同図に示すように、従来材料よりも高い導電率を確保しながら、低い荷重ロスを達成することができ、用途を大幅に広げることができる。

（３）ばね用銅合金線材およびばねの製造方法
本実施形態のばね用銅合金線材及びばねの製造方法は、［１］溶解、［２］鋳造、［３］熱間加工、［４］伸線加工、［５］第１熱処理（溶体化熱処理）、［６］冷間加工、［７］第２熱処理（時効熱処理）及び［８］コイル加工の各工程を、順次行うことを含む製造方法により製造することができる。

［１］溶解
溶解は、上述した銅合金組成になるように各成分の分量を調整して溶製する。

［２］鋳造及び［３］熱間加工
溶解鋳造温度は１２００〜１３００℃が望ましく、直径１００ｍｍ〜３００ｍｍの円柱状のビレットを製造する。次いで、８００〜１０００℃で１時間〜５時間保持された後、熱間押出機にて直径１０〜５０ｍｍ（荒引線）へ加工する。

［４］伸線加工
伸線と表面研削（皮むき）を少なくとも１回行い、例えば線径または円相当直径０．５〜２．６ｍｍの線材に仕上げる。

［５］第１熱処理（溶体化熱処理）
８００〜１０００℃の温度で、１秒〜１０秒の熱処理（溶体化熱処理）を１回行う。８００℃以下では再結晶せず、結晶粒径のばらつきが大きい。１０００℃以上では粒径が所望のサイズ以上に粗大化して、次の伸線工程で表面の微細な割れや模様を発生させる。また、１秒以下では同様に再結晶せず、１０秒以上では粒径の粗大化を起こす。また、生産性・生産効率の面、省エネルギーの面からも１０秒以下で行い、それも１回することを特徴としている。

なお、この熱処理は連続焼鈍で行われることが望ましい。連続焼鈍は生産性の高い線材の焼鈍方式で、加熱した炉内に線材を連続的に通す走間焼鈍、あるいは、線材に電流を流し自身から発生するジュール熱により焼鈍を行う電流焼鈍である。

［６］冷間加工（伸線）
次いで、冷間加工を加工率０〜９９％で行って線材を形成することができる。冷間加工率は、好ましくは０〜９０％、更に好ましくは、０〜５０％である。この冷間加工では、溶体化熱処理で形成された結晶粒が延伸すると、伸線方向に垂直方向の断面の結晶粒径が次第に小さくなっていく。つまり、断面減少率に従って、結晶粒径が細かく、小さくなることになる。例えば、冷間加工率５０％での結晶粒径は、冷間加工率０％の場合と比較して約１／２に低下する。よって、最適な冷間加工率を選択することにより、所望の結晶粒径を得ることができる。

［７］第２熱処理（時効熱処理）
１回の第１熱処理（溶体化熱処理）と冷間加工（伸線）を行った線材を３００〜５００℃で時効熱処理を行う。前工程の冷間加工率が０〜９０％の場合は時効熱処理温度３５０〜４５０℃、冷間加工率が０〜５０％の場合は４００〜５００℃であるのが好ましい。その際、±１０℃以内の均熱時間（保持時間）は０．５時間〜５時間、好ましくは１時間〜４時間、より好ましくは１時間〜２時間である。

本時効熱処理温度が上記の温度範囲より低い場合、あるいは本時効熱処理時間が上記処理時間よりも短い場合は、所望の強度と導電率を得ることができない。また、逆に本時効熱処理温度が上記の温度範囲より高い場合、あるいは本時効熱処理時間が上記処理時間よりも長い場合は、析出状態が過時効となり、所望の強度を得ることができない。なお、この第２熱処理では結晶粒径は変化しない。

その後、必要に応じて加工率０〜９０％で冷間加工（第２冷間加工）を行ってもよい。このときの冷間加工率は、好ましくは０〜５０％である。

［８］コイル加工
上記工程により所定の線径に仕上げた線材を巻回して、ばねを成形する。ばねの形状に制限はないが、後述するコイルばねや、異形線ばねなどに成形することができる。

［製造方法の変形例］
ばね用銅合金線材の製造方法を説明したが、製造方法はこれに限られず、例えば上記製造方法の［５］第１熱処理〜［８］コイル加工（以下、製造工程（Ｉ）という）において、［６］冷間加工を省略しても良い。すなわち、溶体化熱処理→時効熱処理→コイル加工（以下、製造工程（ＩＩ）という）の順序で各工程が行われてもよい。

また、上記製造方法の［５］第１熱処理〜［８］コイル加工において、［７］第２熱処理と［８］コイル加工の順序を入れ替えてもよい。すなわち、溶体化熱処理→冷間加工（伸線）→コイル加工→時効熱処理（以下、製造工程（ＩＩＩ）という）の順序で各工程が行われてもよい。この場合にも、コイル加工後に、３００〜５００℃で０．５時間〜５時間の時効熱処理が行われる。上記温度及び時間の範囲外であると、所望の強度ができない。また、この順序で行われる製法における時効熱処理でも、結晶粒径は変化しない。また、用途に応じて、コイル加工後の時効熱処理を行わなくてもよい。

また、上記製造方法の［５］第１熱処理〜［８］コイル加工において、［６］冷間加工と［７］第２熱処理の順序を入れ替えてもよい。すなわち、溶体化熱処理→時効熱処理→冷間加工（伸線）→コイル加工（以下、製造工程（ＩＶ）という）の順序で各工程が行われてもよい。

また、上記いずれかの製造方法によって作製されたばねを、還元雰囲気にて更に熱処理（第３熱処理）することもでき、例えば窒素雰囲気で、４００℃、２時間で熱処理することができる。これにより、より優れた導電率および引張強度を確保することが可能となる。

（４）ばね用銅合金線材で形成されたばねの構成
上記ばね用銅合金線材によって得られたばねの構成を、図３（ａ）〜（ｆ）に示す。ばねは、図３（ａ）に示すような円筒形コイルばね１であってもよいし、円錐形コイルばね２であってもよい（図３（ｂ））。また、部分的にコイル径が変化するばね、例えば鼓形コイルばね３（図３（ｃ））や、樽形コイルばね４（図３（ｄ））であってもよい。また、楕円状に巻回された楕円形コイルばね５（図３（ｅ））であってもよい。更に、コイルピッチが変化している不等ピッチばね、例えば片絞り形コイルばね６（図３（ｆ））であってもよい。このようなコイルばねの断面形状は、丸形（真円、楕円）や角形などがあるが、これに限られない。

また、上記ばね用銅合金線材によって得られたばねは、片持ち梁のような、片端が固定され且つ反対側の端部付近に荷重が掛かる異形線ばねにも適用される。例えば、ばねは、ストレート形ばね７（図４（ａ））であってもよいし、一段曲げ形ばね８や（図４（ｂ））、二段曲げ形ばね９（図４（ｃ））、フック形ばね１０（図４（ｄ））であってもよい。また、ダブルトーション形ばね１１（図４（ｅ））であってもよい。このような異形線ばねの断面形状は、角形、平丸形、テーパ形などがあるが、これに限られない。

ここでばね指数は、図３（ａ）に代表例として示すように、線材の線径または円相当直径ｄと、コイル中心径Ｄとの比（Ｄ／ｄ）で表される。本実施形態のばねにおいて、線径または円相当直径ｄは、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、かつばね指数Ｄ／ｄは、５〜１５の範囲であることが望ましい。線径または円相当直径ｄ及びばね指数Ｄ／ｄがそれぞれ上記範囲内であれば、高強度導電性ばねとして十分な性能が発揮される。

以下、本発明の実施例を説明する。
Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｇと、選択的に添加するＣｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｆｅ、ＣｏおよびＡｇを、表１に示す含有量（質量％）になるように溶製し、溶解鋳造温度１２００〜１３００℃で、直径１００ｍｍ〜３００ｍｍの円柱状のビレットを製造した。次いで、８００〜１０００℃で１〜５時間保持した後、熱間押出機にて直径１０ｍｍ〜５０ｍｍへ加工した。

伸線と表面研削（皮むき）を繰り返し、線径または円相当直径０．５ｍｍ〜２．６ｍｍの線材に仕上げて、８００〜１０００℃、好ましくは、８５０〜９４０℃、１〜１０秒の熱処理（溶体化熱処理）を１回行った。

次いで、時効熱処理を３００〜５００℃、０．５時間〜５時間行い、最終伸線加工を行って、直径０．５ｍｍ〜０．８ｍｍの線材に仕上げた。

得られた線材を、専用のコイリングマシンにて、所定のばね指数を持つコイルばねへ加工した。

また、上記の製造工程の他、溶体化熱処理、時効熱処理及びコイル加工の各工程の間のいずれかに冷間加工を加えたもの、あるいは時効熱処理とコイル加工の順序を入れ替えたものを実施した。線材作製からコイルまでの工程を以下に示す。
（I）溶体化熱処理→冷間加工→時効熱処理→コイル加工
（II）溶体化熱処理→時効熱処理→コイル加工
（III）溶体化熱処理→冷間加工（伸線）→コイル加工→時効熱処理
（IV）溶体化熱処理→時効熱処理→冷間加工（伸線）→コイル加工
上記いずれの工程でも、材料の結晶粒径と特性の荷重ロスとの関係が整理できた。

更に、比較例として、元素の含有量や処理条件を表２に示す値に変えたこと以外は、上記実施例と同様の方法にてコイルばねをそれぞれ製造した。

次に、実施例及び比較例を、以下に示す方法により測定、評価した。
（Ａ）引張強度
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張強度測定を実施した。各実施例（比較例）について３本測定し、その平均値を求めた。引張強度は、８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下を合格レベルとした。

（Ｂ）導電率
ＪＩＳ Ｚ ０５０５に準拠して導電率測定を実施した。各実施例（比較例）についてそれぞれ３本測定し、その平均値を求めた。導電率は、３０％ＩＡＣＳ以上４５％ＩＡＣＳ以下を合格レベルとした。

（Ｃ）結晶粒径測定
ＪＩＳ Ｚ ０５０１に準拠して結晶粒径測定を実施した。しかし、さらに精度を高めるため、このＪＩＳに記載されている切断法を線材の長手方向に垂直な面に実施し、測定した。測定には光学顕微鏡（オリンパス社製、装置名「ＧＸ５１」）、走査型電子顕微鏡（日立製作所社製、装置名「ＳＥＭＥＤＸ ＴｙｐｅＭ」）を用いて、最適な倍率（×１００〜×１０００）で任意の三カ所の写真を撮影して５０〜２００個の結晶粒の測定を行って解析し、その平均値を算出した。平均結晶粒径は、５μｍ超５０μｍ以下を合格レベルとした。

（Ｄ）Ｓｉ−Ｎｉ析出物のサイズ測定
ウルトラミクロトーム（Ｌｅｉｃａ社製、装置名「ＥＭ ＵＣ７」）を用いて観察用の試験片を作成し、透過電子顕微鏡（日本電子社製、装置名「ＪＥＭ−３０１０」）にて１００００〜５００００倍の写真を撮影し、１０〜１００個の析出物の平均サイズを画像処理ソフト（日本電子社製、ソフトウェア名「イメージΣ」）にて二値化処理を行って求めた。Ｎｉ−Ｓｉ析出物の平均サイズは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下を合格レベルとした。

（Ｅ）荷重ロス試験
図５に示すように、得られたコイルばねＡを、ばね単体で荷重試験機にセットし、所定の締付荷重Ｐ１（実使用応力：４００ＭＰａ）となるように初期応力を加え、その時のばね高さＨ１（以下、初期ばねセット高さという）を測定した。そして、一旦除荷した後、上記初期応力を再び付与し実際に使用する状態でＨ１の高さとなるように治具などを使用してばねを室温で締付けてセットした。そのセット状態のまま、１５０℃の大気圧雰囲気中に投入して１０００時間保持し、その後、取り出して室温まで冷却した後、セット状態から治具を外し、除荷した。

ばねを再び荷重試験機にセットして初期ばねセット高さＨ１における試験後の締付荷重Ｐ２を測定した。これらの値Ｐ１，Ｐ２から、下記式（１）を用いて荷重ロスを算出した。荷重ロスは、３０％以下を合格レベルとした。
（荷重ロス）＝（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ１×１００ … 式（１）

上記方法により測定した結果を、表１及び表２に示す。

表１から、次のことが明らかである。すなわち、実施例１〜１０のばねはいずれも、高い引張強度、高い導電率（高熱伝導率）、且つ高い耐へたり性を示し、これら特性をバランス良く有することが分かった。

これに対し、表２に示すように、比較例１では、結晶粒径及び析出物のサイズが本発明の範囲外であり、引張強度が劣り、荷重ロスが大きかった。比較例２では、溶体化熱処理の温度及び時間が本発明の範囲外であり、引張強度及び導電率が劣り、荷重ロスが大きかった。比較例３では、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｎ及びＭｇの含有量が本発明の範囲外であり、引張強度が劣り、荷重ロスが大きかった。比較例４では、Ｎｉ及びＳｉの含有量が本発明の範囲外であり、加工割れが生じた。比較例５では、Ｓｎ及びＭｎの添加量が過剰であり、導電率が劣り、荷重ロスが大きかった。比較例６では、溶体化熱処理温度及び結晶粒径が本発明の範囲外であり、荷重ロスが大きかった。

１ 円筒形コイルばね
２ 円錐形コイルばね
３ 鼓形コイルばね
４ 樽形コイルばね
５ 楕円形コイルばね
６ 片絞り形コイルばね
７ ストレート形ばね
８ 一段曲げ形ばね
９ 二段曲げ形ばね
１０ フック形ばね
１１ ダブルトーション形ばね

Claims (8)

1. Ｎｉを３．４〜４．２質量％、Ｓｉを０．７〜１．０質量％含有し、Ｚｎを０．４〜０．６質量％、Ｓｎを０．１〜０．５質量％、Ｍｇを０．０５〜０．２５質量％を含み、残部が銅及び不可避不純物からなるばね用銅合金線材であって、
   平均結晶粒径が５μｍ超５０μｍ以下、Ｎｉ−Ｓｉ金属間化合物の平均サイズが５ｎｍ〜５０ｎｍであり、
   引張強度が８００ＭＰａ〜１１００ＭＰａ、且つ導電率が３０〜４５％ＩＡＣＳであることを特徴とする、ばね用銅合金線材。
2. Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｆｅ、ＣｏおよびＡｇの１種以上を合計で０．０３〜１．０質量％含有する、請求項１記載のばね用銅合金線材。
3. 請求項１又は２記載のばね用銅合金線材を巻回して形成されたことを特徴とするばね。
4. コイルばね又は異形線ばねである、請求項３記載のばね。
5. 請求項４記載のコイルばねに、初期荷重を付与し、一旦徐荷した後、前記初期荷重を再び付与し、１５０℃、１０００時間で保持した後、荷重ロスが２０％以下となることを特徴とするばね。
6. 前記初期応力は、４００〜５００ＭＰａであることを特徴とする、請求項５記載のばね。
7. 請求項１又は２記載のばね用銅合金線材の製造方法であって、
   溶解、鋳造後に、熱間加工を経て荒引線を形成し、その後、少なくとも溶体化熱処理および時効熱処理の各工程を行い、
   前記溶体化熱処理は、８００〜１０００℃、１秒〜１０秒の熱処理を１回行い、
   前記時効熱処理は、３００〜５００℃、０．５時間〜５時間で行われることを特徴とする、ばね用銅合金線材の製造方法。
8. 請求項７記載の製造方法における前記溶体化処理後に、所定の線径を有する線材を巻回してばねを成形するコイル加工を更に有することを特徴とする、ばねの製造方法。
   

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