JPH0136540B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、ベリリウム及びコバルトを少量でか
つ互いに関連して定まる量だけ含有する銅合金に
関し、かつ応力緩和抵抗、成形性、伝導率及び強
度からなる諸特性の改善された組み合わせを有す
る有益な製品を生産するための上記銅合金の処理
方法に関する。 （従来の技術） 銅ベリリウム合金は約50年間工業的に使用さ
れ、高い強度、成形性、応力緩和抵抗及び伝導率
を必要とする多くの分野において有益なため好評
を博している。銅開発協会（Copper
Development Assocication）の名称C81300、
C8200、C82200及びC82400に加えてC17500、
C17510、C17000、C17200、C17300を含む多くの
工業的銅ベリリウム合金が知られている。これら
の合金は種々の量のベリリウム及びコバルト、ニ
ツケル、及び銀などのような他の合金となる元素
を含んでいる。一般に、ベリリウム銅合金の開発
は高い性能、たとえば、時効硬化可能なこれらの
合金の最も高い強度、最もよい延性及び他の高い
望ましい特性を提供する方向に進んでいる。米国
特許1893984、1957214、1959154、1974839、
2131475、2166794、2167684、2172639、2289593、
及び3376171が種々の量のベリリウム及び他の元
素を含む種々の合金を開示している。このような
合金に対する種々の応用がまた技術的に議論され
ている。例えば、スポツト溶接用電極は米国特許
1957214、1959154、及び2131475に記載されてい
る。最後にあげた特許はコバルト及びベリリウム
の量を減少することで、申し分のない電極を提供
することを追求した。 上述の特許が許可されてから約50年の間に、全
く新しい工業が出現し、新しい一連の要求が合金
製造者に課せられている。エレクトロニクス及び
コンピユータ産業の要求は1930年代においては知
られていなかつた。エレクトロニクス及びコンピ
ユータにおいて小型化の傾向が起こり、過去数年
間に加速度的なペースで進んでいる。スプリング
型のコネクター及び接点では、要求される装置の
複雑さや熱放散に対する要求のみならず、応力緩
和による損耗なしに高温に部品が耐えることに対
する要求が急速に生じている。加えて、購買者は
ますます価格を意識するようになつている。りん
青銅のようなコネクタ合金はベリリウム銅合金に
比べて、例えば、伝導率、成形性、応力緩和抵抗
等の面でも性能が劣ることが知られているが、価
格の面からりん青銅合金のようなコネクター合金
が用いられている。さらに、プログレス方式金型
及び他の成形技術を用いてストリツプあるいはワ
イヤーから複雑な部品を製造する際に重要である
成形性に対する要望は、前述の米国特許2131475
のより単純な時代に比較して合金供給者に課せら
れた困難を増大させている。この米国特許では溶
接電極について述べられているが、その電極は鍛
造あるいは鋳造合金の単なる棒であり、負荷下で
「急速な成長（mushrooming）」に耐えなければ
ならないが、成形性については何の要求も課され
ていない 応力緩和特性は、特別な接点やコネクターある
いは同様の装置が高温度において要求された接触
圧を維持してその装置を含む組立体の長寿命性能
を保証できることを設計者に確信させるための重
要な設計パラメータである。応力緩和は、与えら
れた温度で一定のひずみにおける応力の時間的減
少として定義される。材料の応力緩和特性から、
設計者は、長い時間組み合わさつた部品の間の電
気的接触を維持するために特別な最小の力を作用
温度において保証するためにはどのくらいの室温
弾性力（room temperture spring force）を増
加しなければならないかを決定することができ
る。 ベリリウムを含む時効硬化可能なより強い合
金、例えば約20％のベリリウムを含むC17200の
ような合金は応力緩和に対して抵抗を有すること
が知られている。一方、例えばC51000及び
C52100のような、時効硬化可能ではなくかつ高
強度を達成するため厳しく冷間加工しなければな
らないりん青銅合金は安価ではあるが、応力緩和
抵抗は劣つている。 ここで、応力緩和抵抗は1982年４月27日から28
日までオクラホマ州のステイルウオータ
（Stillwater）で開かれた第30回目のリレー年会
においてハークネス（Harkness）とローレンツ
（Lorenz）によつて発表された「曲げにおけるベ
リリウム銅ストリツプの応力緩和（Stress
Relaxation of Berrylium Copper Strip）」と題
する論文に記載されている試験によつて決定され
る。その試験にしたがつて、ゲージ長さを有する
平たいスプリング標本が治具によつて一定の初期
応力レベルを負荷された後、その一定の応力をか
けた状態で長時間300〓（150℃）のような高温度
に治具とともにさらされる。標本は、材料が受け
ている永久歪の量を確定するため、定期的に、取
り出され、測定される。これによつて残留する応
力のパーセントを計算することができる。 成形性は、平らなストリツプ片を種々の既知の
半径のノーズを有するポンチのまわりに例えば
90゜曲げることによつて決定される。ここで、破
壊は曲げの外側の繊維組織において亀が発生した
時点とみなされる。等級付けはＲ／ｔという量か
ら試験ごとに与えられる。ここで「Ｒ」はポンチ
の先端半径を表わし、「ｔ」はストリツプの厚さ
を表わす。この等級は、特定の材料が特定の部品
に望ましい形状に成形できるかどうかを決定する
ため設計者によつて用いられる。 銅ベリリウム合金に関する技術論文としては、
1980年発行のActa Metallurgicaの第28巻のリオ
ジヤ（Rioja）及びラアフリン（Laughlin）によ
るもの、1981年発行の「合金相ダイヤグラムの報
告（Bulletin of Alloy phase Diagrams）」第２
巻第１号のラアフリン（Laughlin）及びタナー
（Tanner）によるもの、1982年10月25日、セント
ルイス、モリスでのTms−Aimr Fallmeetingで
発表された「３つの元素からなるCu−Ni−Be及
びCu−Co−Be合金における準安定の沈殿
（Metastable Precipitation in Ternary Cu−Ni
−Be and Cu−Co−BeAlloys）」におけるグハ
（Guha）、アレクアンダー（Alexander）及びラ
アフリン（Laughlin）によるもの、及び1979年
発行のINCRAモノグラフシリーズ（INCRA
Monograh Series ）におけるチヤング
（Chaeg）、ニユーマン（Neumann）、ミクラ
（Mikula）及びゴールドバアーグ（Goldberg）
によるもの等がある。 （発明が解決しようとする問題点） この発明の課題は、従来知られていない冶金学
的組織とともに、高い成形性と延性、高い伝導率
と有効な強度を有し、かつ実用されている最強の
銅ベリリウム合金に匹敵する応力緩和抵抗を有す
る時効硬化可能な銅ベリリウム合金を提供するこ
とである。 （問題点を解決するための手段） 本発明による合金は約0.2％から約0.5％のベリ
リウム及び約0.2％から約0.5％のコバルトを含有
し、実質的に残部銅である銅ベリリウム合金であ
る。この合金は、最後の加工段階で少なくとも約
50％、好ましくは約70％から約90％の圧下をもた
らすため行われる冷間加工する加工スケージユー
ルに続いて、約1000〓（540℃）以下、例えば約
700〓（370℃）から約800〓（425℃）で時効処理
される。 （実施例） 本発明による合金は熱間及び冷間の両方で容易
に加工できる。この合金は高い応力緩和抵抗、高
い成形性及び延性、高い伝導率と有効な強度を含
む諸特性の組み合わせによつて特徴づけられる。
一例として、約0.3％のベリリウム及び約0.25％
のコバルトを含有し残部実質的に銅からなる合金
は、耐力0.2％の降伏力（0.2％offset yield
strength）の75％の初期応力を付与された後、
300〓（150℃）の応力緩和に1000時間さらしたと
ころ、88％の「応力残留」（stressremaining）を
持つことが見い出された。この合金はまた750〓
（400℃）までの温度に１時間さらされた時、軟化
に耐えることが見い出された。この合金は、予め
冷間加工の前に1650〓（900℃）で溶体化焼鈍さ
れ、冷間加工の後３時間、750〓（400℃）で時効
された強冷間加工ストリツプ（圧下率72〜96％）
として試験された。この合金は、圧下率72％で冷
間加工され、時効されたストリツプの場合、２イ
ンチ（50mm）のゲージ長さで9.6％の引張り伸び
において、縦方向0.5及び横方向1.6の成形性
（Ｒ／ｔ）を示した。伝導率は51.3％I.A.C.Sであ
つた。降伏強度は約89.1ksi（615MPa）であり、
最大引張強度は約99.9ksi（690MPa）であつた。
特性のこのような組み合わせは本発明の合金の典
型的なものであり、この合金が本発明に応じて製
造された時、耐力0.2％の降伏力は約85ksi
（580MPa）から約120ksi（825MPa）であり、引
張り強度は約95ksi（655MPa）から約125ksi
（860MPa）であり、伸びは約５％から約15％で
あり、伝導率は約40％から約65％I.A.C.Sである。
そして300〓（150℃）で1000時間の応力緩和試験
の後、耐力0.2％の降伏力の75％に等しい初期応
力の少なくとも約85％の「応力残留」を一般的に
有している。比較例として、同様の強度レベルの
時効硬化できないストリツプ（例えば、りん青銅
C51000）は、300〓（150℃）で1000時間の応力
緩和試験において37％を超えない「応力残留」し
か示さず、伸びは５％を超えず、成形性（Ｒ／
ｔ）は縦方向約2.5で横方向約９であり、伝導率
はわずか約15％のI.A.C.Sである。 本発明の合金は、従来の静的、半連続的、また
は連続的手段を用いて適当なインゴツトまたはス
ラブ形状に鋳造し、この鋳造物を焼鈍を伴いまた
は伴わないで熱間及びまたは冷間加工して、所望
の最終寸法になるように予め定められた量だけ冷
間圧下を可能にする寸法の鍛造品とし、この鍛造
物を約1400〓（760℃）から約1750〓（955℃）ま
での温度において、引き続く析出硬化に寄与する
合金元素の部分の固溶体化と再結晶を行わせるた
めに十分な時間溶体化焼鈍し、その溶体化処理さ
れた合金を少なくとも約50％あるいは好ましくは
約70％から約95％の圧下で冷間加工し、この冷間
加工された合金を約600〓（315℃）から約1000〓
（540℃）の範囲の温度、好ましくは約700〓（370
℃）から約800〓（425℃）、例えば750〓（400℃）
において１時間ないし５時間以下熱処理して、強
度及び伝導率の増加とともに応力緩和抵抗、成形
性及び延性の実質的な増加を伴つて析出硬化を成
しとげることによつて製造される。約1600〓
（870℃）を超える溶体化処理温度は特許請求の範
囲内のいくつかの合金において、好ましからざる
結晶粒成長を生ずるかもしれないということが肝
に銘じられるべきである。 本発明による合金と、1650〓（900℃）におい
て焼鈍され、72％冷間圧延され、３〜５時間750
〓（400℃）において時効されたストリツプとし
て試験された時の特性とを次の表に示す。

【表】 「Ｌ」及び「Ｔ」の90゜曲げデータはそれぞれ
縦及び横の圧延方向における成形性を表わす。残
留応力（Remaining Stress）は、0.2％降伏力の
75％の初期応力に対して300〓（150℃）で、1000
時間の後、残留する部分である。 本発明の合金は、第３図及び第４図のそれぞれ
透過電子（transmission electron）顕微鏡組織
及び光学的顕微鏡組織によつて特徴づけられる。
これらの合金は時効硬化された際、α銅マトリツ
クス中に主析出硬化物及びコバルトベリリウム金
属間化合物粒子からなる微細組織を示す。これら
の合金は時効硬化された際、主析出硬化物の密度
が実質的により大きく、しかもコバルトの含有量
が高い合金よりも小さくかつ少ないコバルト−ベ
リリウム金属間化合物粒子を示すことにおいて、
従来技術の銅コバルトベリリウム合金とはつきり
と異なる。例えば、0.3％のベリリウム及び0.5％
のコバルトを含有し、1650〓（900℃）において
溶体化焼鈍し、950〓（510℃）において時効硬化
して、観察のため意識的に主析出硬化物を大きく
した合金は、透過電子顕微鏡において１mm四方の
薄い金属片あたり析出硬化物が2.3×10⁹である粒
子密度を示し、また光学的金属組織標本におい
て、１mm四方に対して少なくとも直径0.0001イン
チ（2.5ミクロン）である約240のコバルトベリリ
ウム金属間化合物粒子を示す。一方、名目上、
0.5％のベリリウム及び2.5％のコバルトを含有
し、類似の熱処理を施された実用されている合金
C17500は析出硬化物が約20倍より低い密度（つ
まり約1/20の密度）で示され、コバルトベリリウ
ム金属間化合物粒子の密度において８倍の増加を
示すことが見い出された。 ところで、図示の主析出硬化物の密度及びコバ
ルトベリリウム金属間化合物粒子の大きさは極め
て少量の溶質含有量に起因している。溶体化焼鈍
及び時効状態における微細組織は、冷間加工に関
係なく従来技術と本発明とを区別している。つま
り、従来の合金は少ない析出硬化物及び多くの大
きな金属間化合物粒子を有していたが、本発明で
は多くの析出硬化物及び少ない金属間化合物粒子
を有している。 高い電気的伝導率を有し製造コストを最小にす
るため、ベリリウムの含有量は、本発明の限度以
内に維持される。コバルトの範囲（含有量）は、
準安定のソルバスを高温度方向へ移すことにより
時効硬化を行うため溶体内に残留するのに必要と
する最小の量と、上限値とで設定される。この上
限値は、コバルトがこの上限値以下では時効硬化
に役立つベリリウムが、コバルトがこの上限値を
越えた時、マトリツクスから増加的に奪われて強
化に寄与しないコバルト−ベリリウム
（beryllide）金属間化合物粒子を形成してしまう
ようなコバルトの量である。つまり、第２図及び
表に示されているように、ベリリウムの含有量を
約0.2〜約0.5％の範囲に、コバルトの含有量を約
0.2％〜約0.5％の範囲に、それぞれ、限定する。 ベリリウムの含有量が0.2％未満となると、焼
鈍、強冷間加工、及び時効によつて処理された
際、時効硬化が不十分となつて十分な強度が得ら
れない。また、ベリリウムの含有量が0.5％を超
えると、これによつて電気伝導率が大きく低下し
てしまう。コバルトの含有量が0.2％〜0.5％の範
囲において、ベリリウムを0.5％を超えて含有さ
せると、電気伝導率が低下するばかりでなく強度
が大きく減少してしまう。また、ベリリウムを多
く含有させることは、合金のコストを増加させて
しまう。 一方、上記のベリリウム含有量において時効硬
化させるためにはコバルトの含有量が0.2％以上
であることが必要であり、コバルトを0.5％を越
えて含有させても単にコバルトベリリウム金属間
粒子の形成に寄与するだけで時効硬化に役立つベ
リリウムが減少してしまう。 焼鈍温度が1400〓（760℃）未満であると、時
効硬化を行うためにベリリウムが十分に固溶しな
い。一方、焼鈍温度が1750〓（955℃）を越える
と、初期溶解及び過度の粒子成長が発生してしま
う。 また、時効処理の前に少なくとも50％の冷間加
工を行えば、十分な時効結果（応答）を得ること
ができ、これによつて上記の組成で十分な強度が
得られる。 時効処理温度が600〓（315℃）未満であると、
時効応答の度合が極めて少なくなつてししまう。
また、最大時効処理温度が1000〓（540℃）を越
えると、急速な過時効が行われ、極めて低い強度
しか得られなくなつてしまう。時効処理温度が
700〓（370℃）〜800〓（425℃）であれば、１時
間から５時間以下の時間で時効処理すれば、良好
な強度、伝導率、延性が得られ、５時間を越えて
時効処理しても、処理コストがかさむだけで、さ
らに強度を増すことはできないし、また過時効と
なつてしまう。 このように、本発明による合金は、従来技術の
冷間加工されかつ時効された銅コバルトベリリウ
ム合金として引用したC17500を37％冷間圧延し、
900〓（480℃）において２時間時効したときの最
大引張強度100〜120ksi（690〜825MPa）の範囲
の強度を、コバルトの含有量を約1/5以下として
達成することができる。 本発明の合金は、導電スプリング（current−
carrying−springs）、機械的スプリング、ダイヤ
フラム（薄膜）、スイツチブレード、接点、コネ
クタ、端子、ヒユーズクリツプ、ベローズ
（bellows）、金型鋳造プランジヤーの先端、スリ
ーブベアリング、プラスチツクモールド用具、石
油あるいは石炭作孔用設備の構成要素、抵抗溶接
電極構成要素などのための鍛造品として使用され
得る。 本発明を好ましい実施例に関して説明したけれ
ども、当業者が容易に理解できるように修正及び
変形が本発明の範囲及び精神から離れることなく
行われることが理解できるであろう。このような
修正及び変形は本発明の範囲及び特許請求の範囲
内であることがわかる。 （発明の効果） 以上のように、本発明は、特に少量のベリリウ
ム及びコバルトを含有し、例えば、約0.2％から
約0.5％のベリリウム及び約0.2％から約0.5％のコ
バルトを含み、溶体化処理、少なくとも約50％あ
るいは少なくとも約70％の冷間加工、及び時効硬
化を行うことによつて応力緩和抵抗、成形性、延
性、伝導率及び強度の良好な結合を示す時効硬化
可能な銅ベリリウム合金及びこれから製造される
製品及び部品を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、0.3％のベリリウム及び0.25％のコ
バルトを含有し、残部銅の本発明による合金に対
する300〓（150℃）の温度及び耐力0.2％の降伏
力の75％の初期応力における応力緩和曲線を他の
従来の材料であるC17200、C52100、C68800及び
C72500と比較して示すための図である。第２図
は、0.25％のコバルト含有量においてベリリウム
の含有量を増加して電気的伝導率及び耐力0.2％
の降伏力を図示するための図である。第３図は、
0.3％のベリリウム及び0.5％のコバルトを含有
し、1650〓において溶体化焼鈍し、水冷却し、
950〓において５時間時効した本発明による合金
で、電子回析分析によつてγ″析出硬化物として同
定される円板形状の多量の金属間化合物粒子とし
て主硬化相を表わすため、20000倍の拡大におけ
る結晶組織を示す透過電子顕微鏡写真である。第
４図はマトリツクス中にほんの少量の金属間コバ
ルト−ベリリウム（beryllide）金属間化合物粒
子を有する0.3％のベリリウム及び0.25％のコバ
ルトを含有する本発明による合金の1000倍の拡大
における結晶組織を示す光学的顕微鏡写真であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 0.2％から0.5％のベリリウム及び0.2％から
   0.5％のコバルトを含有し、残部実質的に銅から
   構成され、応力緩和抵抗、成形性、伝導率及び強
   度からなる諸特性の改善された組み合わせを有す
   る銅合金。 ２ 特許請求の範囲第１項の記載において、0.25
   ％から0.5％のベリリウム及び0.25％のコバルト
   を含有する銅合金。 ３ 特許請求の範囲第１項の記載された合金にお
   いて、溶体化焼鈍及び時効した状態でα銅マトリ
   ツクス中に主析出硬化物とコバルト−ベリリウム
   金属間化合物粒子からなる微細組織を有し、該主
   析出硬化物の密度が、0.5％のベリリウム及び2.5
   ％のコバルトを含有する同様に熱処理硬化した工
   業用合金中の析出硬化物の密度のほぼ20倍であ
   り、直径が少なくとも0.0001インチ（2.5ミクロ
   ン）の前記コバルトベリリウム金属間化合物粒子
   の密度が、前記0.5％のベリリウム及び2.5％のコ
   バルトを含有する工業用合金中のコバルトベリリ
   ウム金属間化合物粒子の密度のほぼ1/8であるこ
   とを特徴とする銅合金。 ４ 0.2％から0.5％のベリリウム、0.2％から0.5
   ％のコバルトを含有し、残部実質的に銅の合金か
   ら製造される銅合金材料を製造する方法におい
   て、鋳造及び加工した前記合金材料を1750〓
   （955℃）を超えない温度で溶体化処理し、この溶
   体化処理された材料を少なくとも50％冷間加工
   し、この冷間加工された材料を、応力緩和抵抗、
   成形性、伝導率及び強度を高くするため１時間か
   ら５時間以下の時間600〓（315℃）から1000〓
   （540℃）の温度において時効することからなる銅
   合金材料を製造する方法。 ５ 特許請求の範囲第４項の記載において、前記
   冷間加工による圧下は冷間圧延によつて少なくと
   も70％まで行われることを特徴とする銅合金材料
   の製造方法。 ６ 特許請求の範囲第４項の記載において、前記
   時効は700〓（370℃）から800〓（425℃）の間の
   温度で行われることを特徴とする銅合金材料の製
   造方法。 ７ 特許請求の範囲第４項の記載において、少な
   くとも70％の冷間圧下が施され、冷間圧下の後、
   750〓（400℃）において時効され、耐力0.2％の
   降伏力の75％の初期応力において300〓（150℃）
   で1000時間の応力緩和試験の後に少なくとも85％
   のパーセント残留応力（Percent Remaining
   Stress）を有する銅合金の製造方法。