JPH04228529A - 銅合金及びその製造方法 - 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】

【０００１】本発明は、実質的に均質なα−相の銅−ニ
ッケル−錫合金の製造方法、該方法で製造した合金のス
ピノダル分解による焼き入れ（ｈａｒｄｎｉｎｇ）及び
／または強化、並びに実質的に均質なα−相の銅−ニッ
ケル−錫合金及び該合金から作成された焼き入れ及び／
または強化された合金に関する。

【０００２】銅−ニッケル−錫合金をスピノダル分解す
ると実質的な時効硬化を示し、こうすれば該合金を、電
気スプリング、スイッチ及び高性能電気接続として、特
に強度、熱安定性、成形性及び耐腐食性の優れた組み合
わせを要求されるこれらの部品として種々の電気及び電
子分野に使用できることは長年公知である。これらの合
金は、良好な機械的強度及び延性と良好な電気導電率を
必要とする分野に於いて、銅−ベリリウム合金及び燐青
銅合金の潜在的な代替品として広く注目されてきた。

【０００３】スピノダル挙動を十分に利用するために、
スピノダル時効処理に先立って、合金元素がマトリック
ス中に実質的に均一に分散されていることが少なくとも
１つの条件である。しかしながら、合金を単に例えばイ
ンゴット鋳造などの従来法で製造すると、製造中に合金
元素の偏析が起きてしまうために、この条件を満たさな
い。

【０００４】米国特許第３，９３７，６３８号より、所
望の組成の銅−ニッケル−錫の溶融物を作成し、次いで
溶融物を従来の鋳造方法によってインゴットに鋳造する
ことによって上述の合金が製造され得ることは公知であ
る。鋳造インゴットは、鋳造中にできた有核組織を破壊
する目的で、高温処理後冷間加工によって均質化される
。次いで、材料は最終的な寸法に加工され、焼鈍され、
急冷され、そして時効処理されるが、通常急冷と時効処
理との間で冷間加工される。

【０００５】しかしながら、上述の方法を工業的に実施
することは不可能であろう。何故ならば、大量に製造す
る間に、合金の強度及び延性に悪影響を及ぼす元素の偏
析、特に粒界で錫の偏析が起きたからである。この偏析
は、合金をその後加工熱処理しても容易には除去できな
かった。

【０００６】上述の銅−ニッケル−錫合金の改良製造方
法は、米国特許第４，３７３，９７０号に記載されてい
る。溶融した銅−ニッケル−錫合金を、急速に固化され
る非常に微細な液滴にアトマイズし、その後合金粉末を
機械的に圧延−圧縮して、構造的に完全であり且つ還元
雰囲気により貫通されるべきかなりの粗鬆を有する連続
した素地ストリップとする。次いで、ストリップを還元
雰囲気中で焼結し、時効硬化及び脆化を防ぐ速度で冷却
し、実質的に十分に緻密な最終ゲージまで圧延し、そし
て最終的に焼鈍急冷すると、十分に緻密な、実質的に均
質なα−相の材料が製造される。

【０００７】上述の方法は、実施されるべき工程数が多
いことから、多くの労力を有し、且つ比較的費用がかか
ることが理解されよう。高品質な合金を製造するために
は、複数回の冷間圧延及び焼鈍工程が必要なことに留意
されたい。

【０００８】実質的に均質なα−相の銅−ニッケル−錫
合金が、溶融した合金をアトマイズし、アトマイズした
粒子を固体材料が比較的高温で得られるように回収用表
面上で回収し、次いで回収した材料を比較的低い温度に
急冷する簡単な方法で製造され得ることが新たに知見さ
れた。アトマイズした粒子を高温で回収し、次いで急冷
すると、脆いγ−相及び／またはスピノダル相などの他
の結晶相の発生を防ぐことができる。このようにして、
錫が実質的に一定の濃度で分散されており、且つ実質的
に錫の偏析がなく、実質的に総てがα−面心立方相の時
効処理されていない等軸粒構造を有する銅−ニッケル−
錫合金を、シート、ストリップ、ブロック、バー、ロッ
ド、リボン、バンド及びワイヤなどの任意の形態で製造
することができる。

【０００９】従って、本発明は、銅、ニッケル４〜１８
重量％及び錫３〜１３重量％からなる実質的に均質なα
−相の銅−ニッケル−錫合金の製造方法に関し、その方
法は前述した組成を有する溶融合金をアトマイズし、ア
トマイズした粒子を少なくとも７００℃の温度を有する
固体材料が得られるように回収用表面上で回収し、次い
で回収した材料を３００℃以下、好ましくは２００℃以
下の温度に急冷することからなる。

【００１０】溶融した銅−ニッケル−錫合金中の錫に対
するニッケルの重量比は、３：１〜４：３が好ましい。 本明細書中の重量百分率は組成物の全重量に基づいてい
る。

【００１１】液体金属または合金をアトマイズし、次い
でアトマイズした粒子を回収用表面上で回収することは
、例えば英国特許第１，３７９，２６１号、同第１，４
７２，９３９号及び同第１，５９９，３９２号から公知
である。これらの特許明細書には、金属または合金の溶
融流に高速のアトマイジングガスを衝突させてアトマイ
ズする方法が記載されている。こうして微細な溶融金属
粒子の噴霧が得られ、そこから比較的低温噴出ガスによ
って飛行中に熱が除去されると、析出支持体と衝突した
ときに部分的に固体／部分的に液体である金属粒子が得
られる。支持体表面に衝突したとき、粒子は変形し、癒
合し蓄積して、微細に分裂した粒子構造を有する析出し
た金属の凝集体（塊り）を形成する。回収された金属ま
たは合金の凝集体は、いかなる特別な手段を使用するこ
となく、即ち比較的ゆっくりした冷却速度で周囲温度に
冷却される。

【００１２】本発明の方法で使用される回収用表面は、
好適には１枚の平坦な表面である。例えば回転シリンダ
、予備成形物などの他の形も使用され得る。好ましくは
薄いシート、例えば軟鋼の薄いシートまたは銅−ニッケ
ル−錫の薄いシートが使用され得る。特に薄いシートの
場合、回収用表面は、噴霧された生成物中に冷間粗鬆（
ｃｏｌｄ−ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が発生するのを防ぐため
に表面下が断熱されているのが好ましい。回収用表面は
通常噴霧ノズルに対して可動性である。

【００１３】噴霧析出される溶融合金の量は広範な範囲
内を変動し得る。バッチ製造法の場合には、少なくとも
１ｋｇの量が好適であり、少なくとも５ｋｇがより好適
である。少なくとも１０ｋｇの量を使用するのが好まし
い。合金の上限量は数百ｋｇが好適であり、３００ｋｇ
が好ましい。噴霧析出される量が多い場合には、連続法
が使用され得る。

【００１４】本発明の好ましい態様に於いては、固体材
料は、７５０℃以上、より好ましくは８００℃以上、さ
らに好ましくは８５０℃〜９５０℃の温度で回収される
。

【００１５】本発明のもう１つの好ましい態様に於いて
は、急冷後の回収された材料の温度は、１５０℃以下が
好ましく、２０℃〜１００℃の温度がより好ましい。

【００１６】回収した凝集体の冷却速度は、回収した材
料の総てがα−相を保持するような速度でなければなら
ない。回収した材料の冷却速度は、回収温度と５５０℃
〜４５０℃の温度の間では好適には少なくとも１００℃
／分、好ましくは少なくとも２００℃／分であり、次い
で５５０℃〜４５０℃の温度と最終温度の間では好適に
は少なくとも２０℃／分、好ましくは少なくとも３０℃
／分である。より好ましくは、回収した材料の冷却速度
は、比較的高温と５５０℃〜４５０℃の温度の間では少
なくとも３００℃／分であり、次いで５５０℃〜４５０
℃の温度と最終温度の間では少なくとも４０℃／分であ
る。

【００１７】本発明の方法で使用される合金は、場合に
より少量の添加剤（例えば、鉄、マグネシウム、マンガ
ン、モリブデン、ニオブ、タンタル、バナジウム、ジル
コニウム及びその混合物）を含み得る。添加剤は、１％
までの量、好適には０．５％までの量で存在し得る。さ
らに通常の不純物が少量存在してもよい。所望により他
の添加剤（アルミニウム、クロム、シリコン及び亜鉛な
ど）が少量存在してもよい。追加の元素を存在させると
、得られた合金の強度をさらに増加させ、特に所望の特
性を高めるという有益な効果が得られる。本発明の好ま
しい態様に於いては、合金の酸素含有量を減少させるた
めに、若干量のマグネシウムが溶融合金に添加される。 合金の凝集体から除去され得る酸化マグネシウムが形成
される。１％までのマグネシウムを使用するのが好適で
ある。合金の製造には、純度９９．０％以上、好適には
９９．５％以上、好ましくは９９．９％以上の金属が使
用される。

【００１８】合金中の銅の量は、６５重量％以上が好適
であり、６９〜９５重量％が好ましく、約７７重量％が
より好ましい。

【００１９】合金の回収速度は、１〜２５０ｋｇ／分が
好適であり、５〜５０ｋｇ／分が好ましく、１５〜３０
ｋｇ／分がより好ましい。ガスの金属に対する重量比は
、十分に冷却できるように選択される。金属に対するガ
スの重量比は、０．０１〜２．０であり、０．１〜０．
７が好ましく、０．２〜０．５がより好ましい。アトマ
イズガスとしては、総ての不活性ガスが使用され得る。 窒素または第ＶＩＩＩ族の不活性ガスを使用するのが好
ましい。アトマイズガスとして窒素を使用すると、最も
良い結果が得られる。

【００２０】噴霧析出した合金の塊りは、α−相以外の
結晶相が形成されるのを防ぐのに十分な冷却速度が得ら
れる限り、任意の方法を使用して冷却され得る。好適に
は、冷却媒体として（低温）ガスが使用されるガス急冷
法が使用され得る。急冷ガスは、窒素ガス及び第ＶＩＩ
Ｉ族の不活性ガスなどの不活性ガスが好適である。また
、水で急冷する方法も使用され得る。この場合、回収し
た塊りの上に水を噴霧することによって、好ましくは噴
霧析出した物体を水中に浸漬することによって急冷され
得る。もう１つの好適な急冷方法は、冷却ローラー間に
回収した材料を通過させることによって冷却する方法で
ある。例えば溶融合金を１つの冷却ローラーの上に直接
噴霧析出させるか、またはシート上に噴霧析出後冷却ロ
ーラーに供給する。あるいは、例えば総ての溶融合金の
塊りを回収し、７００℃を越える温度で長時間保持した
後、冷却ローラーが使用され得る。

【００２１】本発明の方法によって製造して得られたα
−相の銅−ニッケル−錫合金のスピノダル焼き入れ処理
は、従来技術で公知の方法によって実施され得る。焼き
入れ処理は、好適には、合金を２５０℃〜４５０℃の温
度、好ましくは３００℃〜４００℃の温度で少なくとも
１５分間、好ましくは１〜６時間の間、加熱することに
よって実施される。合金の少なくとも５０％、好ましく
は７０％、より好ましくは９０％がスピノダル相に転移
する（ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ）ような方法で焼き入れ
される。合金を所望の形に成形後に焼き入れするのが好
ましい。なぜなら、実質的に焼き入れ後に成形するのは
殆ど不可能だからである。冷間加工の効果によって、通
常焼き入れ時間が短かくなることが判明している。一般
に、噴霧析出した合金の塊りは、冷間加工（例えば圧延
など）の前に機械加工される。

【００２２】本発明は、以下の実施例によって説明され
る。

【００２３】

【実施例】比較例１ １２５０℃の温度の溶融銅−ニッケル−錫溶融合金を、
４Ｎ純度の銅、Ｎｉ１８重量％及びＳｎ８重量％を、ア
ルゴン雰囲気下、１２５０℃の温度で誘導電気炉中で製
造した。溶融合金をスチール製るつぼ内で鋳造し、冷却
したビレットサンプルを冶金試験用とした。ビレット材
料は粗なミクロ構造を有し、錫が明らかにマクロ−偏析
をしていた。

【００２４】実施例１ 比較例１で使用した材料と同様の組成の銅−ニッケル−
錫合金（４ｋｇ）を溶融し、シート状に噴霧析出した。 溶融合金の温度は１１８０℃であった。アトマイズガス
として窒素を使用した（ガスの金属に対する重量比は０
．３である）。金属流速度は２１ｋｇ／分であった。噴
霧析出した塊りの温度は、８５０℃〜９５０℃と推定さ
れた。低温窒素ガス（約１ｋｇ／分／ｋｇ）を使用して
、合金を約８０℃に約８分間を要して急冷した。冶金試
験から、噴霧析出した合金は非常に微細なミクロ構造を
有し、錫もニッケルもマクロ−偏析していなかった。

【００２５】比較例２ 比較例１に記載と同様の方法で、Ｎｉ１４％、Ｓｎ９％
、残りが銅の銅−ニッケル−錫の溶融合金を製造した。 比較例１と同様に鋳造後、ビレットが得られた。鋳造し
たままのビレット材料は、元素が明らかに偏析した粗な
ミクロ構造を有していた。

【００２６】実施例２ 比較例２に記載したような組成の銅−ニッケル−錫合金
（４ｋｇ）を、実施例１に記載と同様な方法で噴霧析出
した。得られたシート状の合金は、明らかな元素偏析の
無い微細なミクロ構造を有していた。

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　銅、ニッケル４〜１８重量％及び錫３
   〜１３重量％からなる実質的に均質なα−相の銅−ニッ
   ケル−錫合金の製造方法であって、前述の組成を有する
   溶融合金をアトマイズし、アトマイズした粒子を少なく
   とも７００℃の温度の固体材料が得られるように回収表
   面上で回収し、次いで回収した材料を３００℃以下の温
   度に急冷することからなる前記方法。
2. 【請求項２】　　回収した材料を２００℃以下の温度に
   急冷することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】　　銅−ニッケル−錫合金中の錫に対する
   ニッケルの重量比が３：１〜４：３であることを特徴と
   する請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】　　合金がさらに少量のバナジウム及び／
   またはジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれか１項に記載の方法。
5. 【請求項５】　　材料が７５０℃以上の温度で回収され
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載
   の方法。
6. 【請求項６】　　材料が８００℃以上の温度で回収され
   ることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】　　材料が８５０℃〜９５０℃の温度で回
   収されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】　　回収した材料を１５０℃以下の温度に
   冷却することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項
   に記載の方法。
9. 【請求項９】　　回収した材料を２０℃〜１００℃の温
   度に冷却することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】　　合金が、金属に対するガスの重量比
    を０．１〜０．７として、析出速度５〜５０ｋｇ／分で
    回収されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１
    項に記載の方法。
11. 【請求項１１】　　析出速度が１５〜３０ｋｇ／分で、
    金属に対するガスの重量比が０．２〜０．５の間である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 【請求項１２】　　アトマイズガスとして窒素を使用す
    ることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記
    載の方法。
13. 【請求項１３】　　回収した材料の冷却速度が、回収温
    度と５５０℃〜４５０℃の温度の間では少なくとも１０
    ０℃／分であり、５５０℃〜４５０℃の温度と最終温度
    の間では少なくとも２０℃／分であることを特徴とする
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 【請求項１４】　　回収した材料の冷却速度が、回収温
    度と５５０℃〜４５０℃の温度の間では少なくとも３０
    ０℃／分であり、５５０℃〜４５０℃の温度と最終温度
    の間では少なくとも４０℃／分であることを特徴とする
    請求項１３に記載の方法。
15. 【請求項１５】　　回収した材料をガスを用いて急冷す
    ることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記
    載の方法。
16. 【請求項１６】　　ガスが窒素であることを特徴とする
    請求項１５に記載の方法。
17. 【請求項１７】　　回収した材料を液体中で急冷するこ
    とを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の
    方法。
18. 【請求項１８】　　液体が水であることを特徴とする請
    求項１７に記載の方法。
19. 【請求項１９】　　回収した材料を１個以上の冷却ロー
    ラーを使用して圧延することによって冷却することを特
    徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
20. 【請求項２０】　　実質的に実施例に記載されたような
    、請求項１のα−相の銅−ニッケル−錫合金を製造する
    方法。
21. 【請求項２１】　　α−相の銅−ニッケル−錫合金の焼
    き入れ方法であって、請求項１〜２０のいずれか１項に
    記載の方法で得られる銅−ニッケル−錫合金を使用し、
    合金の少なくとも一部をスピノダル相に転移させること
    からなる前記方法。
22. 【請求項２２】　　α−相の銅−ニッケル−錫合金を、
    合金をその所望の形に予め成形した後焼き入れすること
    を特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 【請求項２３】　　５０％以上の合金をスピノダル相に
    転移させることを特徴とする請求項２１または２２に記
    載の方法。
24. 【請求項２４】　　７０％以上の合金をスピノダル相に
    転移させることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 【請求項２５】　　９０％以上の合金をスピノダル相に
    転移させることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 【請求項２６】　　相転移が２５０℃〜４５０℃の間の
    温度に加熱することによって行われることを特徴とする
    請求項２１〜２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 【請求項２７】　　実質的に実施例に記載されたような
    、請求項２１に記載のスピノダルの銅−ニッケル−錫合
    金の製造方法。
28. 【請求項２８】　　請求項１〜２０のいずれか１項に記
    載の方法によって製造されたα−相の銅−ニッケル−錫
    合金。
29. 【請求項２９】　　請求項２１〜２８のいずれか１項に
    記載の方法によって製造されたスピノダルの銅−ニッケ
    ル−錫合金。