JP6294766B2 - 銅合金材およびその製造方法 - Google Patents
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(1)Niを4.50〜7.00質量%、Siを0.90〜1.90質量%、Crを0.05〜0.30質量%およびMgを0.05〜0.20質量%含有し、さらにSnを0.00〜1.50質量%、Agを0.00〜0.30質量%、Mnを0.00〜0.50質量%、Feを0.00〜0.20質量%およびCoを0.00〜2.00質量%のうち1種または2種以上を総量で0.00〜2.00質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる銅合金材であって、粒径0.5μm以上の金属間化合物が32000個/mm2以下の密度で前記銅合金材の母相中に存在し、引張強さが1200MPa以上で、且つ導電率が20%IACS以上であることを特徴とする銅合金材。
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母相中にNi−Si析出物(Ni2Si)を形成させて析出強化を行い銅合金の強度を向上させるために含有する元素である。Niの含有量は、4.50〜7.00質量%であり、好ましくは4.50〜6.00質量%である。Niの含有量が4.50質量%未満であると、その析出硬化量が小さいため所望とする強度を寄与させることができず、一方、Niの含有量が7.00質量%より多いと、鋳造時や熱処理(例えば、溶体化処理、時効熱処理、焼鈍処理)時に、強度上昇に寄与しない粗大な金属間化合物(例えば、Ni−Si化合物)の析出が多量に生じてしまう。この場合、Niの添加量に見合う強度を得ることができないばかりか、伸線加工性、曲げ加工性にも悪影響を与えることになる。
次に、本発明の銅合金材の特徴について説明する。銅にNiおよびSiが添加されたコルソン合金は、時効熱処理により、微細な析出物を合金内部に析出させて強化する時効硬化型合金である。このような微細な析出物として、例えば、NiとSiの異種金属が結合したNi2Siなどの金属間化合物が挙げられる。本発明におけるコルソン合金では、NiおよびSiを高濃度で添加させることを前提としているため、溶体化処理での加熱を、これまで以上の温度で実施する必要があり、また、時効熱処理の際に粒界析出型反応が生じやすくなる。そのため、溶体化処理の加熱で必要とされる加熱温度を規定するとともに、粒界析出型反応を抑制するため、CrおよびMgを合金組成中の必須元素として添加する。さらに、溶体化処理の冷却過程においても、従来よりもNi2Siなどの金属間化合物の析出が進行しやすいため、溶体化処理の冷却速度も適切に調整する必要がある。このような金属間化合物は、さまざまな大きさの粒子として析出するものの、粗大な析出物として析出する金属間化合物は、強度にほとんど寄与しないため、できる限り少なくさせることが望ましい。よって、本発明では、溶体化処理の条件の最適化を図り、かつ粒界析出型反応を抑制することで、強度にほとんど寄与しない一定の粒径の金属間化合物の析出を制御し、高強度の銅合金材を得るようにしたものである。
次に、本発明の銅合金の母相に残存する金属間化合物の粒径、および密度(存在割合)について説明する。本発明における金属間化合物としては、例えば、上述したような、NiとSiの異種金属が結合したNi2Siなどの微細な析出物が挙げられるが、これに限定されるものではない。本発明では、強度に寄与し得ない金属間化合物の粒径の下限値として、金属間化合物の粒径を0.5μm以上とする。これ以上の粒径を有する金属化合物は析出強化等の強化機構に寄与しにくいためである。つまり、強度に寄与しない0.5μm以上の粒径の金属間化合物の密度が多過ぎると、その後の時効熱処理によって強度が劣ってしまう。そのため、強度に悪影響を及ぼさない程度として、0.5μm以上の金属間化合物の密度は、32000個/mm2以下とする。なお、析出物としての金属化合物の粒径は大きくとも5.0μm程度であることを考えると、それ以上の大きさの金属間化合物は、析出物ではなく未溶解物である可能性が高くなる。従って、本発明では、好ましくは粒径0.5〜5.0μmの析出物としての金属化合物の密度を32000個/mm2以下とする。よって、本発明の組成を有する銅合金材において、銅合金材の母相に残存する金属間化合物の粒径、および密度の適正化を図ることにより、その後の時効熱処理による強度の低下を抑制することができる。
第1表に示される実施例1のNo.1〜11で示される種々の本発明の範囲内にある組成のCu−Ni−Si系銅合金を、高周波溶解炉にて溶解し、各ビレットを鋳造した。次に、これらの各ビレットを加熱後、960℃で熱間押出した後、直ちに水中焼入れを行うことで、熱間押出による溶体化処理を施し、直径25mmの丸棒を得た。その際、熱間押出加工時の加熱温度(960℃)から300℃までの冷却速度は、110℃/秒で実施した。次いで、得られた丸棒を冷間加工により直径0.6mmの線材まで加工した後、400℃で2時間の時効熱処理を行った。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を下記の方法により調べた。その結果を第2表に示す。
断面観察は、走査型電子顕微鏡で5000倍の観察倍率で、縦20.4μm、横15.3μm(約312μm2)の矩形の視野で、0.5μm以上の化合物が1個以上観察される部位について、任意の3箇所の横断面を観察し、1mm2あたりの個数に換算して3視野の平均値を求めた。また、1つの観察視野中に0.5μm以上の化合物が31個以上あったものについては、金属間化合物の密度が100000個/mm2以上であるとした。
引張試験を、JIS Z 2241に準じて3本測定しその平均値(MPa)を示した。試験片は得られた線材から9A号の試験片で実施した。
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。
第1表に示される比較例1のNo.12〜17で示される種々の本発明の範囲外にある組成のCu−Ni−Si系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。次に、これらの各ビレットを加熱後、960℃で熱間押出した後、直ちに水中焼入れを行うことで、熱間押出による溶体化処理を施し、直径25mmの丸棒を得た。その際、熱間押出加工時の加熱温度(960℃)から300℃までの冷却速度は、110℃/秒で実施した。次いで、得られた丸棒を冷間加工により直径0.6mmの線材まで加工した後、400℃で2時間の時効熱処理を行った。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を上記の方法と同様に調べた。その結果を第2表に示す。
第1表のNo.1、5、7、10の組成の銅合金から作成したCu−Ni−Si系銅合金をそれぞれ1A、5A、7A、10Aとし、これらを高周波溶解炉にて溶解し、各ビレットを鋳造した。次に、これらの各ビレットを加熱後、900℃で熱間押出した後、直ちに水中焼入れを行うことで、熱間押出による溶体化処理を施し、直径25mmの丸棒を得た。その際、熱間押出加工時の加熱温度(900℃)から300℃までの冷却速度は、110℃/秒で実施した。次いで、得られた丸棒を冷間加工により直径0.6mmの線材まで加工した後、400℃で2時間の時効熱処理を行った。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を上記の方法と同様に調べた。その結果を第2表に示す。
第1表に示されるNo.1、5、7、10の組成を有するCu−Ni−Si系銅合金を、実施例1に記載の製造条件にしたがって冷間加工まで実施し、直径0.9mmの線材を得た。このようにして得られた直径0.9mmの線材から出発して、通電加熱により960℃で加熱後、直ちに水中焼入れを行うことで、溶体化処理を施した。この溶体化処理時の加熱温度(960℃)から300℃までの冷却において、冷却速度を300℃/秒で実施したNo.1、5、7、10の組成を有するCu−Ni−Si系銅合金を、それぞれ1B、5B、7B、10Bとし、当該冷却速度を、50℃/秒で実施したCu−Ni−Si系銅合金を、それぞれ1C、5C、7C、10Cとした。次いで、これらの線材を伸線加工により直径0.3mmの線材まで加工した後、350℃で2時間の時効熱処理を行った。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を上記の方法と同様に調べた。その結果を第3表に示す。
第1表のNo.1、5、7、10の組成の銅合金から作成したCu−Ni−Si系銅合金をそれぞれ1D、5D、7D、10Dとして、溶体化処理時の加熱温度(960℃)から300℃までの冷却速度を、10℃/秒で実施した以外は、上記実施例2と同様に実施した。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を上記の方法と同様に調べた。その結果を第3表に示す。
第1表のNo.1、5、7、10の組成の銅合金から作成したCu−Ni−Si系銅合金を、それぞれ1E、5E、7E、10Eとし、高周波溶解炉にて溶解し、各ビレットを鋳造した。次に、これらの各ビレットを加熱後、960℃で熱間押出した後、直ちに水中焼入れを行うことで溶体化処理を施し、直径25mmの丸棒を得た。その際、熱間押出加工時の加熱温度(960℃)から300℃までの冷却速度は、110℃/秒で実施した。次いで、得られた丸棒を冷間加工(第1冷間加工)により直径0.6mmの線材まで加工した後、300℃で6時間の時効熱処理(第1時効熱処理)を行った。その後、さらに直径0.3mmの線材になるまで冷間加工(第2冷間加工)し、再度、300℃で12時間の時効熱処理(第2時効熱処理)を行った。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を上記の方法と同様に調べた。その結果を第4表に示す。
第1表のNo.1、5、7、10の組成の銅合金から作成したCu−Ni−Si系銅合金をそれぞれ1F、5F、7F、10Fとして、第2冷間加工後に第2時効熱処理溶体化処理を行わないこと以外は、上記実施例3と同様に実施した。このようにして得られた線材について、[1]断面観察、[2]引張強さ、[3]導電率を上記の方法と同様に調べた。その結果を第4表に示す。
Claims (8)
- Niを4.50〜7.00質量%、Siを0.90〜1.90質量%、Crを0.05〜0.30質量%およびMgを0.05〜0.20質量%含有し、さらにSnを0.00〜1.50質量%、Agを0.00〜0.30質量%、Mnを0.00〜0.50質量%、Feを0.00〜0.20質量%およびCoを0.00〜2.00質量%のうち1種または2種以上を総量で0.00〜2.00質量%含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる銅合金材であって、
粒径0.5μm以上の金属間化合物が32000個/mm2以下の密度で前記銅合金材の母相中に存在し、
引張強さが1200MPa以上で、且つ導電率が20%IACS以上であることを特徴とする銅合金材。 - Snを0.05〜1.50質量%、Agを0.01〜0.30質量%、Mnを0.01〜0.50質量%、Feを0.01〜0.20質量%およびCoを0.05〜2.00質量%のうち1種または2種以上を総量で0.01〜2.00質量%含有する、請求項1に記載の銅合金材。
- 引張強さが1400MPa以上である、請求項1または2に記載の銅合金材。
- 前記銅合金材が線材である、請求項1乃至3までのいずれか1項に記載の銅合金材。
- 請求項1乃至4までのいずれか1項に記載の銅合金材の製造方法であって、
銅合金を、950℃以上の加熱温度で加熱した後、直ちに、前記加熱温度から300℃までの温度範囲にわたって30℃/秒以上の冷却速度で冷却する溶体化処理を施し、
次いで、80%以上の加工率で第1冷間加工を施し、
引き続き、200〜600℃で0.5時間以上24時間以下の第1時効熱処理を行い、
その後、さらに第2冷間加工を施す場合には、前記第2冷間加工後に、200〜600℃で0.5時間以上24時間以下の第2時効熱処理を施すことを特徴とする銅合金材の製造方法。 - 前記第1時効熱処理後、70%以上の加工率の前記第2冷間加工と、200〜600℃で0.5時間以上12時間以下の前記第2時効熱処理とを1回以上繰り返して行う、請求項5に記載の銅合金材の製造方法。
- 前記溶体化処理の加熱が、熱間押出加工にて行なわれる、請求項5または6に記載の銅合金材の製造方法。
- 前記溶体化処理の加熱が、通電加熱にて行なわれる、請求項5または6に記載の銅合金材の製造方法。
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