JPH03247731A - セラミック―銅合金複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、銅を主体として合金を形成する金属と、セラ
ミックを形成する元素の単体とを混合し、これらを焼成
することで耐摩耗性および耐蝕性に優れたセラミック−
銅合金複合材に関する。

［従来の技術］ 銅を主体とした合金に対してセラミンク材料を適用した
耐摩耗性の高い複合材が種々の分野で利用されている。

例えば、抵抗溶接機の場合においてもこの種の複合材が
用いられるに至っている。抵抗溶接機は一対の電極チッ
プで溶接対象物の溶接個所を挟持した状態で通電するこ
とにより、前記溶接個所を溶融させて異なるワークを接
合する。

この場合、前記電極チップは過酷な状態で使用されるた
め、耐久性の高いセラミック−銅合金複合材が用いられ
る。なお、このような耐久性の要求される部材としては
、電極チップ以外にも、例えば、ブレーカ−の接点等の
ように常時大電流が供給されるものも好例として掲げら
れよう。

以上の点に鑑み、前記セラミック−銅合金複合材を用い
た電極チップとして、特開平１−１５２２３２号に開示
されているように、銅合金からなる電極チップの外周上
に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ２）等のセラミックをレ
ーザビーム等を用いて溶射し、セラミックの被膜を形成
した技術的思想がある。

また、特開昭６４−７８６８３号に開示されているよう
に、銅合金からなる電極チップの先端部にセラミックを
埋設し、これによって耐久性を向上させるようにした技
術的思想がある。

さらに、特開昭６０−１８４４７９号に開示されている
ように、銅合金に対してセラミックを混合したものを焼
結することで耐久性を向上させるようにしたものがある
。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の特開平１−１５２２３２号に開示された従来例の
場合、銅合金とセラミックとは濡れ性が悪く、従って、
セラミックが剥離し易いとという欠点がある。

また、特開昭６４−７８６８３号に開示された従来例の
場合、銅合金とセラミックとの間で放電が発生し易く、
従って、電極チップの耐蝕性がさほどに期待できないと
いう欠点がある。

さらにまた、特開昭６０−１８４４７９号に開示された
従来例の場合、セラミックを含まない銅合金に対して２
〜３割程度の耐久性の向上が見られるにすぎず、所望の
耐久性を備えた電極チップが得られるには至っていない
。

すなわち、これらの従来技術においては、例えば、電極
チップの主材料に銅粉粒子を使用すると、これらは樹枝
状のデンドライト結晶構造である場合が多く、その樹枝
状構造の間隙に他の組成成分の粒子が入り込むことは離
しい。

また、銅粉粒子が球状であっても、従来のセラミックス
粉の添加方法ではμｍオーダー程度の粒径の粒子を分散
させることしか可能ではなく、抵抗を増加させることな
くセラミックスの添加量を増量させることは不可能であ
った。

さらにまた、合金酸化法では、微細なセラミックスの分
散は可能であるものの、有効に酸素の拡散が粒子内部に
到達し得す、実質的に抵抗を増加させることなくセラミ
ックスの添加量を増量させるには至っていない。

従って、緻密なセラミックスの分散析出を得ることがで
きず、被加工物の組成成分である金属粒子の電極チップ
への拡散を容易に許容してしまう。

さらに、未反応の炭素粒子の単体が成形体中に残留する
ため、焼成に際してもセラミック化することなく炭素単
体のまま析出したり、また、緻密なセラミックの分散析
出を阻害して、なお−層被加工物の金属粒子の電極チッ
プへの拡散を促進してしまう。

一方、炭素粒子は伝導率を下げる特性があるため、空隙
を埋めるために多量に用いることも不可能である。

本発明は上記の不都合を克服し、一方の材料に対し他方
の材料からの金属成分の拡散を抑制させ、他方の材料の
金属成分と一方の材料とが反応して合金あるいは固溶体
を形成すること、および酸化物が形成されることを阻止
することにより、耐摩耗性、耐蝕性に優れたセラミック
銅合金複合材を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記の課題を解決するために、本発明に係るセラミック
−銅合金複合材は、銅を主体として、０．１≦Ｃｒ＜　
　２重量％ ０．１≦Ｎｉ＜１０重量％ の組成範囲を有するＣｒ、Ｎｉを必須成分として含有し
、且つ ０　　＜Ｆｅ＜　　５重量％ Ｏ≦ＣＯ〈　５重量％ ０　≦Ａｌ＜１０重量％ ０　≦Ｔｉ＜２０重量％ Ｏ≦Ｍｏ＜３重量％ ０　≦８１〈　３重量％ Ｏ≦ＭＯく　３重量％ ０　≦Ｖ＜３重量％ Ｏ６Ｍｇ＜１重量％ ０　≦Ｃ＜５重量％ の組成比よりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の
添加物を含有し、且つ、 ０＜０２＜１０重量％ ０＜Ｎ２＜５重量％ Ｑ　　＜Ｂ　　＜１０重量％ の組成比よりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の
組成範囲を有することを特徴とする。

［構成の具体的説明］ 一方の材料としての使用後の電極チップを解析する時、
前記の従来例で用いられた電極チップでは被加工物から
の金属の拡散が多大にある。

そして、この電極チップ中に拡散した金属は電極チップ
の素材と反応を起こし合金あるいは固溶体を形成する。

このため、電気抵抗が増大し、チップ先端部での発熱が
生じ、さらに拡散が助長し、ついには電極チップに酸化
物を生成する。従って、電極チップの耐摩耗性、耐蝕性
を向上させるた必には、電極チップを構成する素材中に
予め被加工物から拡散乃至固溶してくるものを抑制する
構成成分を含有させる必要がある。

すなわち、電極チップの主材料である銅粉粒子の樹枝状
のデンドライト構造の空隙に、粒径が小さく空隙を埋め
ることが可能な酸化物粉末あるいは炭素粉末、金属粉末
を配し、゛焼成反応において金属、炭素等を拡散させな
がら自身が酸素供給源、炭素供給源乃至は反応の予備的
役割を担い自らは金属化し、その際に放出される酸素は
、活性金属を酸化しセラミック粒子を形成する。

さらには、メタル析出セラミックを応用してマトリック
スとセラミックスを結合させ、セラミック形成メタルを
作り、換言すれば、セラミック粒子の肥大化を図り、焼
結による緻密化を可能とする。

［実施例１］ 次に、本発明に係るセラミック−銅合金複合材について
好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳
細に説明する。

主原料として一３２５メツシュの粒径を有し、樹枝状に
発達したデンドライト結晶の形状を有する電解銅粉と、
析出強化材としてのＣｒを０〜１．５重量％、拡散材と
してのＮ１を０〜０．７重量％、Ａｌ２Ｏ３を０．５〜
１．５重量％、ＴｌＯ２を０．５〜１．５重量％、Ｓｉ
を０〜０．３重量％、ＳｉＣを０〜３重量％、析出強化
材としてのＣｏを０〜０．８重量％、Ｔｉを０〜０．５
重量％、固溶析出強化材としてのＦｅをＤ〜０．８重量
％、ＴｉＣをＯ−０，３重量％、ＴｉＮをＯ〜０．５重
０ 量％、Ｔ　］　８２を０〜１０重量％、ＺｒＢ２を０〜
１０重量％、分散強化材としてのチタニウムイソプロボ
キシドを１〜１０重量％、分散強化材としてのアルミニ
ウムイソプロボキシドを０〜３重量％を原料として秤取
した。

次いで、ミキサーを用い、前記原料に湿分が１０〜１５
％になるように調整し、１０〜３０分かけ混合した。

次に、成形器を用い、１〜２ｔ／ｃｍ２の圧力をかけ一
軸加圧成形によりプレス成形を行った。

そして、成形体を乾燥温度８０〜１２０℃で２時間以上
乾燥した。次に、真空焼結炉を用い、焼結温度９８０〜
１０６０℃で３〜５時間焼成し、さらに溶体化処理を１
０００℃で１〜２時間熱処理を行った。

次に、溶体化処理後、窒素ガス存在下でガス冷却処理を
行った。

次いで、５００℃の温度で１〜２時間時効処理を行った
。そして、精密抵抗測定器を用い端子間距離３０ｍｍで
０．１〜１００μΩ’　ｃｍの抵抗１ 測定をし、さらに夫々の物性値の確認をした後、精度打
出加工を行い、テスト用電極チップを得た。

以上のようにして得た表１に示す実験例１乃至実験例９
、比較例１および比較例２のテスト用電極チップに対し
て、加圧力２００ｋｇ／Ｃｍ２、溶接電流１１ＫＡ、溶
接サイクル１２秒の試験条件下で４５ｇ／ｍ２の両面溶
融亜鉛めっき銅板を用いて連続打点の耐用性を試験した
。

なお、用いたテスト用電極チップの先端径は［３ｍｍで
あり、溶接性の判定はナゲツト径の下限を３．６　ｍｍ
と設定して判定した。

その結果、表１のデータから明らかなように、従来技術
を用いた比較例１および比較例２において、電極チップ
とワークとの張り付きが起こるまでの溶接回数が６００
回、８００回であるのに比して、本発明に係る実験例１
乃至実験例９においては、最低でも２５００回、概ね３
０００回〜３５００回であった。従って、連続的に打点
する際、電極チップの耐用性が向上した２ と判定できる。

さらに、本発明の典型的実施例として、実験例７を用い
てテスト用電極チップおよび夫々のテストの結果につい
てより具体的な説明を加え、解析した。

主原料として一３２５メツシュの粒径を有し、樹枝状に
発達したデンドライト結晶状の電解銅粉を９４．７重量
％、析出強化材として粒径１゜μｍ以下のＣｒを０．３
重量％、拡散材として粒径５μｍ以下のＮ１を５重量％
、分散強化材としてチタンプロボキシドを５重量％、分
散強化材としてアルミニウムイソプロボキシドを１重量
％、分散強化材としてポリカルボシラン０．２重量％を
原料として秤取した。

原料として秤取したもののうち、分散強化材としてアル
ミニウムイソプロボキシド、ポリカルボシランは予めエ
タノールおよびキシレンを溶媒として用い溶解した後、
他の原料に加え再びエタノールを用いて全量をミキサー
を湿式混合した。

３ 湿式混合の後、６０℃の乾燥器内で溶媒量を前記の秤取
した粉体原料１００重量部に対して１２重量部になるよ
うに調整した。

次に、成形器を用い、１〜２ｔ／ｃ＋ｎ２の圧力で加圧
し、−軸加圧成形によりプレス成形を行い、２０Ｘ２０
Ｘ７５ｎ＋＋ｎの棒状に成形した。

そして、成形体を８０℃で６時間、次いで、１１０℃で
６時間乾燥した。

次に、真空焼結炉を用い、先ず、窒素ガスを５０ｍｆ／
ｍｉｎで流通させ、１０℃／ｍ　ｉ　ｎの昇温速度で、
２５０℃で３０分間、３２０℃で１５分間、３８０℃で
１５分間、４８５℃で３０分間夫々保持し、昇温を続け
、６５０℃で１時間保持した。

次いで、昇温速度を１５℃／ｍ　ｉ　ｎの昇温速度に変
更して、７５０℃で３０分、８８０℃で３０分、９２０
℃で３０分、９７０℃で３０分、１０３０℃で３０分、
１０５０℃で１時間、１０６０℃で１時間焼成処理を行
った。

そして、８０℃／ｍ　ｉ　ｎの降温速度で１０２０４ ℃まで降温し、１時間保持した後、窒素ガスを用いてガ
ス冷却し、続いて直ちに５００℃で２時間時効処理をし
テスト用電極チップを得た。

以上のようにして得たテスト用電極チップを用いて物性
値の測定をしたところ、以下のような結果を得た。

テスト用電極チップの密度は８．８７　ｇ　７ｃｍ３で
あり、硬度はＨＲＢ６５〜６８であり、線収縮率は１５
．６％、電気抵抗値は２μΩてあった。

また、連続打点の耐用テストをしたところ、張り付きが
起こるまでに３５００回の溶接回数を要した。さらに、
テスト後のテスト用電極チップをＸ線回折により分析し
たところ、含有成分として八１２０３　、ＴｉＣ，Ｔ　
１ＮＸＴｉＯ＊の存在が確認された。

また、生成したセラミックスの粒径を電子顕微鏡を用い
て観察したところ、約２０八〜７００人と微細であり、
且つマ）　ＩＪソックス面との結合もなされていること
が確認された。

以上のデータより比較例２に比して微量のセ５ ラミックスを添加しても電気抵抗値は２μΩと比較例２
の６μΩを下回っている。

従って、本発明によれば、添加・析出したセラミックが
マトリックス金属と結合することにより粒界抵抗および
粒界放電並びに電蝕が低減し、従来より多量のセラミッ
クスを添加することが可能である。

［発明の効果］ 本発明に係るセラミック−銅合金複合材は、マトリック
スとしての銅合金とセラミックスとの濡れ性を向上させ
、マ）　ＩＪフックスの界面結合を図ることにより焼結
による緻密化を可能とする。したがって、被加工物の組
成成分が電極チップに拡散することを抑制し、且つマト
リックスとしての銅合金とセラミックの間の粒界抵抗、
粒界放電、電蝕を低下させる効果を奏する。

６

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）銅を主体として、 ０．１≦Ｃｒ＜２重量％ ０．１≦Ｎ１＜１０重量％ の組成範囲を有するＣｒ、Ｎｉを必須成分として含有し
   、且つ ０＜Ｆｅ＜５重量％ ０≦Ｃｏ＜５重量％ ０≦Ａｌ＜１０重量％ ０≦Ｔｉ＜２０重量％ ０≦Ｍｏ＜３重量％ ０≦Ｓｉ＜３重量％ ０≦Ｍｏ＜３重量％ ０≦Ｖ＜３重量％ ０≦Ｍｇ＜１重量％ ０≦Ｃ＜５重量％ の組成比よりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の
   添加物を含有し、且つ、 ０＜Ｏ＿２＜１０重量％ ０＜Ｎ＿２＜５重量％ ０＜Ｂ＜１０重量％ の組成比よりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の
   組成範囲を有することを特徴とするセラミック−銅合金
   複合材。
2. （２）請求項１記載の複合材において、主体とする銅は
   １００μｍ以下の粉末状の電気銅または無酸素銅である
   ことを特徴とするセラミック−銅合金複合材。
3. （３）請求項１記載の複合材において、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓ
   ｉは、一般式Ｔｉ（ＯＲ）＿４、Ａｌ（ＯＲ）＿４、Ｓ
   ｉ（ＯＲ）＿４の式で表される有機化合物であることを
   特徴とするセラミック−銅合金複合材。
4. （４）請求項１乃至３のいずれかに記載の複合材におい
   て、添加物はエトキシド、プロボキシド、ブトキシド、
   カルボニル化合物であることを特徴とするセラミック−
   銅合金複合材。