JPH0143834B2

JPH0143834B2 -

Info

Publication number: JPH0143834B2
Application number: JP56091096A
Authority: JP
Inventors: Hironori Fujita; Tooru Arai
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1981-06-12
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1989-09-22
Also published as: CA1188547A; US4436559A; JPS57207167A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電気接点材料および摺動材料等に使用
される硼化物分散銅合金の製造方法に関するもの
である。

硼素が銅に固溶しないため、従来では、硼化物
と銅との複合材料を作るには銅粉末と硼化物粉末
の混合粉末を焼結する粉末焼結法が考えられてい
た。

本発明はかかる従来の方法とはまつたく異な
り、硼化物の構成元素の金属と銅との合金を作
り、その合金の表面から硼素を浸透拡散し、合金
の表層部に硼化物の微粒子が分散した層を生成さ
せるものである。すなわち、本発明の硼化物分散
銅合金の製造方法は、少なくとも表面より0.1mm
深さまでの表層部が10〜75原子％（以下、特にこ
とわらないかぎり％は原子％を示す）のベリリウ
ム、ガリウム、マンガン、ニツケル、パラジウ
ム、シリコン、バナジウムの１種または２種以上
を含み、残部が銅を主成分とする銅合金である金
属材料を調製する工程と、上記金属材料の表層部
にボロンを浸透拡散させ、ベリリウム、ガリウ
ム、マンガン、ニツケル、パラジウム、シリコ
ン、バナジウムの１種または２種以上の硼化物よ
りなる微細な粒子を上記金属材料中に分散した形
で形成する工程とよりなることを特徴とするもの
である。

本発明の製造方法により、表層部のみに粒径が
0.1〜10ミクロンの硼化物が銅あるいは銅合金中
に分散した構造をもつ硼化物分散銅合金が得られ
る。

この硼化物分散銅合金は、金属を母材とし、か
つ、表層部のマトリツクス部が銅あるいは銅合金
であるため導電性、摺動性がすぐれている。さら
に、表層部に微細な硼化物粒子が分散して存在す
るため、溶着が起りにくくかつ耐摩耗性がすぐれ
ている。このため本発明の製造方法で得られる硼
化物分散銅合金は電気接点材料とか摺動材料とし
て適している。

本発明の製造方法に用いられる金属材料を、少
なくとも表面より0.1mm深さまでの表層部が10〜
75％のベリリウム、ガリウム、マンガン、ニツケ
ル、パラジウム、シリコン、バナジウムの１種ま
たは２種以上、残部が銅を主成分とする銅合金で
あるとして表層部の金属組成を規定したのは、表
層部のみに硼化物を形成させるためであり、金属
材料の他の部分は硼化物形成に直接関与しないた
めである。したがつて金属材料の他の部分は、使
用目的等に応じて任意の金属のものを使用するこ
とができる。

表層部を形成する金属をベリリウム、ガリウ
ム、マンガン、ニツケル、パラジウム、シリコ
ン、バナジウムの１種または２種以上を含み、残
部が銅を主成分とする銅合金としたのは、上記ベ
リリウム、マンガン、ニツケル等は数％以上の含
有量をもつ銅合金として存在し得ること、および
硼素と化合して硼化物を形成することによる。ま
た生成した硼化物は比較的高い硬度、低い固有抵
抗、高い融点をもち、使用が期待される電気接点
材料または摺動材料としてすぐれた特性をもつこ
とによる。例えばニツケルポラロイド（Ni₂B）、
バナジウムポライド（VB₂）の硬度はそれぞれ
Hv1500〜2500、Hv2500〜8000と硬く、かつ電気
の固有抵抗は14×10^-6Ωcm^-1、16×10^-6Ωcm^-1と
小さく、また融点は1230℃、2100℃以上と高く、
上記した金属の硼化物はいずれも硬度がHv1500
以上、固有抵抗10〜100×10^-6Ωcm^-1、融点1000
〜2500℃である。

なお、表層部の銅合金材料の組成によつては、
ボロンの浸透拡散により微細な硼化物粒子が分散
した層が形成されず、不均一な硼化物層が形成さ
れる場合がある。このような場合には銅合金中の
硼化物形成金属元素の組成を少なくしたり、銅母
材中に他の元素を添加して硼化物の分散を図るの
が好ましい。例えば硼化物としてニツケルポライ
ドを生成分散させるには金属材料の表層部の組成
はニツケル５〜75％残部銅としたニツケル銅合金
が好ましい。しかし、ニツケルの組成が多くなる
とニツケルポライドの粒子の形成が困難となつた
り、生成するニツケルポライドがニツケル銅合金
の結晶粒界にそつて偏析しやすくなる。かかる場
合に、ニツケル銅合金中にマンガン、チタン、シ
リコン、クロムの１種または２種以上を配合する
とニツケルポライドの微細粒子化が可能となり、
かつニツケルポライドの偏析が防止できる。配合
量は0.1〜３％程度が好ましい。

金属材料は表層部を含め全体を所定の銅合金と
することができる。この場合には目的とする組成
の金属を混合溶解し、合金とするものである。

表層部のみを所定の銅合金とする金属材料を調
製する代表的な方法としては、母材を銅とし、そ
の表面にベリリウム、ガリウム、ニツケル等を被
覆し、さらに被覆されたベリリウム等の金属を加
熱処理により銅中に拡散させ、表層部のみを所定
の銅合金とするものである。銅の表面にベリリウ
ム等を被覆する方法としては、電気メツキ、化学
メツキ、真空蒸着、スパツタリング、溶射等公知
の方法が採用できる。ベリリウム等の母材中への
拡散は高温における金属元素の熱拡散現象を利用
して達成する。ニツケルポライドの場合のマンガ
ン、チタン、シリコン、クロム等の硼化物微細化
のための金属は母材である銅中にあらかじめ配合
しておいてもよい。また、ベリリウム等を被覆す
る時に同時にマンガン等を導入し、拡散させても
よい。

金属材料の形状は板状、棒状、綿状等、使用目
的に応じて任意の形状とすることができる。

金属材料の表面に硼素を浸透、拡散させ、表層
部にポライドの微細粒子が分散した層を形成させ
る工程は、通常公知の浸硼素処理法により達成さ
れる。代表的な浸硼素処理法としては硼素を溶解
した溶融塩浴に金属材料を浸漬して処理する溶融
塩法、炭化硼素等の粉末とフツ化ホウ素、塩化ア
ンモン等の混合粉末中に金属材料を埋設し、加熱
処理をおこなう粉末法、真空中で硼素を蒸着させ
る等の物理的蒸着法が利用できる。金属材料中に
浸透した硼素は銅合金中のベリリウム等と化合
し、硼化物を形成する。得られる硼化物は、ベリ
リウムポライド（Be₂B、BeB₂）、ガリウムボラ
イド（GaB₁₂）、マンガンボライド（MnB、
MnB₂）ニツケルボライド（Ni₂B、Ni₃B）、パラ
ジウムボライド（Pd₃B₂）、シリコンボライド
（SiB）、バナジウムボライド（VB、VB₂）の１
種または２種以上の混合物である。これらの方法
により、銅あるいは銅合金中に硼化物粒子が分散
した層が形成される。硼化物粒子の大きさは小さ
ければ小さい程よい。本発明の方法では0.1〜10
ミクロン程度の粒径をもつ硼化物が得られる。な
お、表層部に占める硼化物粒子の割合は容量％で
５〜80％が望ましい。表層部の層の厚さは0.01〜
1.0mmが良い。なお、厚い層を得るには、硼素の
浸透拡散処理時間を長くしたり、処理温度を高く
することにより達成できる。

以下、実施例により説明する。

実施例１銅90重量部とニツケル10重量部を溶解し、銅
89.3原子％ニツケル10.7原子％よりなるニツケル
銅合金を得た。この銅合金より直径6.4mm、高さ
2.4mmの円形状試料と縦横ともに50mm厚さ１mmの
正方形状試料の２種類の試料を作つた。

次に、これらの試料を硼砂60重量部、炭酸硼素
（B₄C）粉末（粒径79〜149μｍ）40重量部よりな
る900℃の溶融塩浴に４時間浸漬保持し、その後
浴より取り出し硼化物分散銅合金を製造した。

得られた試料の一部を切断し、その切断面を顕
微鏡で調べた。この結果、得られた硼化物分散銅
合金は厚さ約0.08mmの表層部が形成されていた。
そして表層部には粒径１〜5μｍのニツケルボラ
イドが分散し、表層部におけるニツケルボライド
の割合は約12容量％であつた。

次に、製造された硼化物分散銅合金の電気接点
材料および摺動材料としての性能を調べるため、
対向式接点特性試験と摺動式接点特性試験を実施
した。なお、対向式接点特性について円形状試
料、摺動式接点特性については正方形状試料を用
いた。

対向式接点特性試験はASTM規格のASTM式
対向式試験機を用い、直流電圧12±0.1V、電流
10A、ランプ負荷130W、接触荷重300ｇ、解離荷
重300ｇ、繰り返し速度60回／分、２個の円形状
試料の円形表面を突き合せる方法で25万回のオ
ン、オフを行なつた。

試験結果は、平均接触抵抗0.8ｍΩ、25万回の
オン、オフ試験で焼付等の不都合はみられず合格
とされた。なお接触面にわずかの酸化が認められ
た。

摺動式接点特性試験は特別に製作した試験機を
用いた。この試験機は１分間に60回転するタフピ
ツチ銅板を相手材とし、その回転中心より12.5mm
の部分に半球形状の試片を押付ける方式のもので
ある。試験条件は、直流電圧12±1V、電流10A、
接触荷重300ｇ、すべり速度78.5mm／秒、全摺動
距離62000ｍ、潤滑油なしとした。試片は正方形
状の試料の中央部に半径５mmの半球を突出した加
工を行つたものを用い、半球の玉面を摺動面とし
た。

試験結果は、接触抵抗約1.2ｍΩ、わずかの摩
耗が認められただけで摺動式接点材料として合格
と判定された。

なお、従来の接点材料、摺動材料として知られ
ているタフピツチ銅を用い、同様に摺動式接点特
性試験を行なつた。試験結果は接触抵抗2.0〜5.0
ｍΩであり、著しく摩耗しており、かつ接触面の
酸化も著しいものであつた。

これらの結果、本実施例で製造された硼化物分
散銅合金はタフピツチ銅以上のすぐれた摺動式接
点材料特性をもつことが確認された。

実施例２銅50重量部とニツケル50重量部を溶解し、銅
48.0原子％ニツケル52.0原子％よりなるニツケル
銅合金を得た。このニツケル銅合金より実施例１
と同形状の２種類の試料を作つた。これらの試料
を実施例１と同じように溶融塩浴で処理し硼化物
分散銅合金を製造した。

得られた硼化物分散銅合金の断面顕微鏡写真を
第１図に示す。第１図より明らかなように表層部
の厚さは0.08mm粒径２〜40μｍのニツケルボライ
ドが分散し、表層部におけるニツケルボライドの
割合は約60容量％であつた。

これらの硼化物分散銅合金についても実施例１
と同様に対向式接点特性試験および摺動式接点特
性試験を実施した。結果はいずれも満足すべきも
ので、対向式接点の接触抵抗が0.8ｍΩ、摺動式
接点の接触抵抗が1.0ｍΩであり、他に異常は認
められず、摩耗もほとんどなかつた。

実施例３銅74重量部、ニツケル25重量部およびシリコン
１重量部を溶解し、銅71.6原子％、ニツケル26.3
原子％、シリコン2.1原子％の銅合金を得た。次
にこの銅合金を圧延し、50×50×１mmの板状試料
とした。この板状試料を硼砂70重量部、炭化硼素
粉末30重量部（粒径79〜149μｍ）よりなる900℃
の溶融塩浴に４時間浸漬保持して硼化物分散銅合
金を製造した。この硼化物分散銅合金の断面顕微
鏡写真を第２図に示す。第２図より明らかなよう
に、表層部の厚さは0.08mmであり、ニツケルボラ
イドの粒径は0.2〜4μｍであつた。また表層部に
おけるニツケルボライドの割合は約30容量％であ
つた。

実施例４銅74重量部、ニツケル25重量部チタン１重量部
を溶解し、銅72.2原子％、ニツケル26.5原子％、
チタン1.3原子％の銅合金を得た。次にこの銅合
金を圧延し、50×50×１mmの板状試料とし、実施
例３と同様に浸硼素処理を行い、硼化物分散銅合
金を製造した。この硼化物分散銅合金の断面顕微
鏡写真を第３図に示す。この硼化物分散銅合金の
表層部の厚さは0.075mmであり、ニツケルボライ
ドの粒径は約１〜12μｍ、また表層部におけるニ
ツケルボライドの割合は約30容量％であつた。

実施例５ 50×50×１mmの純銅板の表面に電気メツキを施
し、約20μｍのニツケルメツキ層を形成した。次
にこの銅板を10^-3torrの真空中雰囲気下で900℃
に２時間加熱し、ニツケルを銅中に拡散させ、表
層部のみをニツケル銅合金とした。このようにし
て得た銅板を実施例１と同じ溶融塩浴で同様に処
理を行い硼化物分散銅合金を得た。この硼化物分
散銅合金の表層部の厚さは0.08mm、ニツケルボラ
イドの粒径は５〜30μｍ、表層部中のニツケルボ
ライドの割合は60容量％であつた。

実施例６銅90重量部とマンガン10重量部とを溶解し、銅
88.6原子％、マンガン11.4原子％のマンガン銅合
金を得た。これより直径６mm長さ30mmの棒状試料
を作つた。この試料を硼素20重量％をを含むフエ
ロポロン粉末（粒径約60〜149μｍ）90重量部と
フツ化硼素酸カリ粉末（粒径約90μｍ）10重量部
よりなる混合粉末中に埋設し800℃で16時間処理
した。これにより硼化物分散銅合金を得た。この
硼化物分散銅合金の表層部の厚さは約0.07mmであ
り、この表層部には粒径５〜50μｍのマンガンボ
ライドが分散していた。

実施例７銅95重量部とシリコン５重量部とを溶解し、銅
89.4原子％、シリコン10.6原子％よりなるシリコ
ン銅合金を得た。この合金より実施例６と同様に
試料を作り、同じ処理剤粉末に埋設し800℃16時
間の加熱処理を実施した。これにより硼化物分散
銅合金を製造した。この硼化物分散銅合金の断面
顕微鏡写真を第４図に示す。第４図より明らかな
ように、この硼化物分散銅合金は比較的大きな粒
径10〜20μｍのシリコンボライドが分散した、厚
さ約0.03mmの表層部を有するものであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は各々本発明の実施例２、実施
例３、実施例４、および実施例７で製造された硼
化物分散銅合金の断面顕微鏡写真図である。

Claims

【特許請求の範囲】１少なくとも、表面より0.1mm深さまでの表層
部が５〜75原子％のベリリウム、ガリウム、マン
ガン、ニツケル、パラジウム、シリコン、バナジ
ウムの１種または２種以上を含み、残部が銅を主
成分とする銅合金である金属材料を調製する工程
と、上記金属材料にボロンを浸透拡散させ、該金属
材料の表層部にベリリウム、ガリウム、マンガ
ン、ニツケル、パラジウム、シリコン、バナジウ
ムの１種または２種以上の硼化物よりなる微細な
粒子を上記金属材料中に分散した形で形成する工
程とよりなることを特徴とする硼化物分散銅合金
の製造方法。２銅合金は少なくとも表面より0.1mm深さまで
の表層部が５〜75原子％のニツケルとマンガン、
チタン、シリコン、クロムの１種または２種以上
を0.1〜３原子％とを含む特許請求の範囲第１項
記載の製造方法。３銅または銅合金の表面にベリリウム、ガリウ
ム、マンガン、ニツケル、パラジウム、シリコ
ン、バナジウムの１種または２種以上を被覆し、
その後加熱処理を施し被覆した金属を表層部に拡
散させることにより金属材料を調製する特許請求
の範囲第１項記載の製造方法。