JPH0679496A - 共晶銅鉄合金線材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共晶銅鉄合金線材に関し、銅系金属と鉄系金
属とを強固にかつ安定な接合状態に溶接する溶接棒ない
し溶加棒を提供し、また、純銅チップよりも寿命が長
く、寿命にばらつきがなく、消耗したときにやすりがけ
（再加工）して新たな使用表面を得ることができ、かつ
自動化に適するはんだゴテのチップ（コテ先）を提供す
ることである。 【構成】 １０〜９０％のＣｕ、９０〜１０％のＦｅ、
0.４％以下のＳｉ、0.１％以下のＴｉ、および不可避的
不純物からなる共晶銅鉄合金であって、鋳造組織で分散
した鉄粒子を有するインゴットを塑性加工で減面して線
材とした共晶銅鉄合金線材を、銅系金属と鉄系金属とを
不活性ガス雰囲気中でのＴＩＧまたはＭＩＧアーク溶接
によって接合する際の溶加棒または溶接棒に用い、ある
いは、はんだゴテのチップに用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共晶銅鉄合金、より詳
しくは、ＴＩＧまたはＭＩＧアーク溶接での溶加棒また
は溶接棒あるいははんだゴテのチップ（コテ先）として
用いる共晶銅鉄合金線材に関する。

【０００２】

【従来の技術】銅鉄合金（Fe-Cu)は、常温では少量の銅
を固溶したFe-rich 相（体心立方格子）と少量の鉄を固
溶したCu-rich 相（面心立方格子）の共晶（二相）合金
となっている。また、銅と鉄とを溶解する場合に、鉄を
１５５０℃で溶解したら、銅を挿入すれば、すぐに溶
け、両者が溶解炉中で溶湯となって混合しているように
見える。しかしながら、両者は固溶しないので、静かに
保持するならば、比重差に起因して銅溶湯が炉底部にそ
して鉄溶湯がその上に分離してしまう。さらに、0.０２
％以上の炭素が含有されると、液相での二相分離が一層
促進されて好ましくないことが知られている。

【０００３】銅鉄合金を製造する際の溶解法としては、
消耗電極スラグ溶解法、プラズマ溶解法あるいは高周波
誘導炉溶解法が採用されており、銅の液相中に鉄粒子が
分散しているように溶解され、フラックスさらに脱酸剤
を使用して、品質低下を防止している。そして、溶湯を
インゴットケースに注入して、銅鉄合金インゴットを製
作し、鍛造、圧延、引き抜きなどの塑性加工により、所
定の製品（棒材、線材）を得ている。

【０００４】異種金属の溶接、特に、銅系金属と鉄系金
属との溶接が熱交換機などで求められている。例えば、
銅パイプと鋼管との溶接である。この場合の溶接棒（溶
加棒）には、DCuSiB, DCuSnA, DCuSnB (JIS Z 3231) あ
るいはECuGT ( ポーランド製、Cu99.5%, Al+Si+Sn0.5%)
を用いることが知られている。また、はんだ付けは半導
体装置製造を始めとしてその使用範囲は拡大し、はんだ
付法も浸漬はんだ付法、リフローはんだ付法が主流にな
って来ているが、はんだゴテ法も依然として広く採用さ
れている。そのはんだゴテのチップ（コテ先）は純銅製
が従来より一般的に用いられている。純銅であるので、
はんだ溶融液によって浸食され、チップ先端形状が消耗
し、先端形状の修正を必要とし、比較的に耐用寿命が短
い。そこで、純銅チップをＦｅメッキで被覆して消耗を
抑制した鉄コートチップもかなり使用されるようになっ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】銅系金属と鉄系金属と
の溶接では、銅と鉄とが常温では殆ど固溶し合わないの
で、溶着部で鉄が偏析し易く、耐溶接割れ性や延性が劣
化する。公知の溶接棒（溶加棒）の使用実例の報告によ
ると、溶加金属（ビード）と鋼との溶接部位が脆弱とな
り易く、パイプ溶接では流体の内圧や熱応力による歪み
を生じて、溶着部位から亀裂が発生し易い。

【０００６】本発明の目的は、銅系金属と鉄系金属とを
強固にかつ安定な接合状態に溶接する溶接棒ないし溶加
棒を提供することである。はんだゴテのチップにおい
て、鉄コートチップは使用中にはんだやフラックスの浸
食で傷を生じたりすると、鉄メッキ層が銅母材から剥離
することがあり、さらに、はんだフラックスの酸化物が
長時間使用で付着し、これを取るためにヤスリがけする
と、鉄メッキ層破損の恐れがある。はんだ付け対象の変
更からチップを変形したいと思っても、チップ形状は変
更できず、転用がきかない。そのために、鉄コートチッ
プの寿命が一定でなく、ばらつきが大きい。したがっ
て、複数のはんだ接合を自動化して同時にあるいは連続
的に行うことが難しい。

【０００７】本発明の別の目的は、純銅チップよりも寿
命が長く、寿命にばらつきがなく、消耗したときにやす
りがけ（再加工）して新たな使用表面を得ることがで
き、かつ自動化に適するはんだゴテのチップを提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述のこれら目的が、１
０〜９０％のＣｕ、９０〜１０％のＦｅ、0.４％以下の
Ｓｉ、0.１％以下のＴｉ、および不可避的不純物からな
る共晶銅鉄合金であって、鋳造組織で分散した鉄粒子を
有するインゴットを塑性加工で減面して線材としたこと
を特徴とする共晶銅鉄合金線材によって達成される。銅
系金属と鉄系金属とを不活性ガス雰囲気中でのＴＩＧま
たはＭＩＧアーク溶接によって接合する際に、共晶銅鉄
合金線材を溶加棒または溶接棒に用いる訳である。そし
て、共晶銅鉄合金線材をはんだゴテのチップに用いる訳
でもある。

【０００９】

【作用】本発明に係る共晶銅鉄合金の組成において、銅
および鉄の２つがメイン成分であり、共晶銅鉄合金の溶
加金属が銅系金属と鉄系金属とを強力に溶接（接合）す
ることができるのは、アーク熱によって銅鉄合金が溶融
したときに、基本的には、被溶接材である銅に対して溶
融体の銅成分が容易に親和融合して合金化し、一方、被
溶接材である鉄に対して溶融体の鉄成分が容易に親和融
合して合金化するからである。鉄成分が多くなるほど、
銅鉄合金溶融体の湯流れが低下し溶接作業性も低下する
が、逆に、銅成分が多くなるほど、湯流れが向上し、溶
接作業性も向上する。鉄成分が１０％（重量％）未満に
なると、鉄系金属との結合力が微弱となり、溶接効果
（溶接箇所における引張強さや曲げ強さの機械的強度）
が劣化する。鉄成分が９０％を越えると、銅系金属との
結合力が微弱となり、溶接効果が劣化する。また、はん
だゴテチップとしては、鉄成分が多いほど、熱伝導率が
低くなり、一方、銅成分が多いほど、摩耗量が大きくな
る。そこで、１０重量％未満になると、銅成分の摩耗量
が大きくなり、寿命を伸ばすのが不十分である。鉄成分
が９０％を越えると、チップの熱伝導率が低くなり、コ
テの熱伝達作用が不十分である。

【００１０】添加するＳｉは脱酸剤として働きかつ鉄結
晶粒子の表面に銅の濡れ性を付与する作用もあるが、0.
４％を越えると、脆化を招くために鍛造割れの原因とな
る。また、添加するＴｉは凝固時に鉄粒子の表面に銅の
濡れ性を付与しかつ微細化するだけでなく、溶接時の再
結晶粒を細分化させ、かつ脱酸作用を有する。Ｔｉ含有
量が0.１％を越えると、溶接肉盛末端部の中心位置に割
りを生じ易くなる。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例によって本発明を詳細に説明する。本発明に係る共
晶銅鉄合金線材の製造を次のようにして行う。まず、使
用材料として下記のもの用意する。

【００１２】（１）原料…電解銅および精錬鉄（炭
素含有量0.０２％以下）： （２）フラックス…生石灰 （小塊）、ホタル石
（粉末）およびタタラ石（酸化チタン12％）の混合
物： （３）脱酸剤…ＦｅＳｉ、ＡｌおよびＣｕＰの混
合物：高周波誘導炉内へ鉄を装入し、電力投入で溶解開
始し、鉄が完全に溶けたところで電解銅を装入し、続け
て、フラックスを全て投入する。銅の融点は鉄の融点よ
りもかなり低いので、すぐに溶けて、混合溶湯となる。
溶湯温度を１５７０℃まで上げてから、電力投入を停止
し、表面のフラックスを除去する。

【００１３】溶湯温度が１５５０℃になったところで、
脱酸剤をＦｅＳｉ、ＡｌおよびＣｕＰの順に溶湯表面へ
投入する。投入した脱酸剤は実質的に燃えてなくなる。
そして、１５００℃でインゴットケースへ溶湯を注湯す
る。凝固して得られる銅鉄合金インゴットは共晶組織で
あって、しかも微細な鉄粒子が均一に分布している。例
えば、図１の金属顕微鏡写真に示すような５０Ｃｕ−５
０Ｆｅ銅鉄合金の鋳造組織（×３００）が得られ、銅基
地中に鉄粒子（黒色部）が存在する共晶組織である。な
お、合金組成でのＳｉは主に脱酸材のＦｅＳｉからのも
のであり、Ｔｉはフラックスの酸化チタンからのもので
ある。

【００１４】得られたインゴット（直径１２０mm）を鍛
造して、８０mmの丸棒材にする。この鍛造にて、鉄粒子
は破壊されてより微細化される。この鍛造丸棒材を熱間
圧延して直径１０mmの線材とし、そして、この線材を冷
間線引加工と焼鈍とを繰り返して直径５mmの線材にす
る。それぞれの焼鈍を非酸化性雰囲気として、真空中あ
るいはアルゴンガス雰囲気中で酸化を防止しながら、８
５０℃前後（８００〜９００℃）にて４０分ないし２時
間行う。

【００１５】得られた銅鉄合金線材、例えば、５０Ｃｕ
−５０Ｆｅの銅鉄合金線材は図２の顕微鏡写真（×２０
０）が示すように、鉄粒子が細長く繊維状で寸断されて
いる。 銅板と鋼板との溶接例 銅板（９9.９％純度、厚さ１０mm）と鋼板（一般構造用
圧延材、ＳＳ４１、JIS G 3101、厚さ１０mm）とを用意
し、継手形状を突合せ継手とし、Ｖ形開先（グルーブ角
度９０°）に加工する。溶加棒として、本発明に係る共
晶銅鉄合金（30%Fe, 0.38%Si, 0.1%Ti, 残部Cu）線材
（直径５mm）を上述したやり方で製造して用意する。こ
の溶加棒を用いて、銅板と鋼板とを下記条件の不活性雰
囲気中のＴＩＧアーク溶接で接合する。

【００１６】 電圧： ４０Ｖ 電流： ４００〜４５０Ａ 電極： 直径4.8mm のタングステン棒 アルゴンガス流量： １８〜２０リットル／分 予熱： ４００℃（銅板側） 溶接箇所より試験片（厚さ9.５mm、幅３０mm、長さ２５
０mm) を作製し、突合せ溶接継手の型曲げ試験方法（JI
S Z 3122）にしたがって、屈曲部半径１９mm、屈曲１８
０°の曲げ試験を行う。結果は良好であった。さらに、
溶接箇所より試験片（厚さ１０mm、幅４０mm、長さ３０
０mm) を作製し、突合せ溶接継手の引張げ試験方法（JI
S Z 3122）にしたがって、引張試験を行う。抗張力が４
３kg/mm²で、伸びが４５％であり、銅板部分で破断し
た。

【００１７】銅鉄合金板同士の溶接例 銅鉄合金板（８０％Ｃｕ−２０％Ｆｅ、厚さ１０mm）と
銅鉄合金板（２０％Ｃｕ−８０％Ｆｅ、厚さ１０mm）と
を用意し、継手形状を突合せ継手とし、Ｖ形開先（グル
ーブ角度６０°＝３０°＋３０°）に加工する。溶加棒
として、本発明に係る共晶銅鉄合金（20%Fe, 0.40%Si,
0.1%Ti, 残部Cu）線材（直径５mm）を上述したやり方で
製造して用意する。なお、銅鉄合金板おそれぞれは上述
したように鋳造インゴットを鍛造し、熱間圧延して製造
する。この溶加棒を用いて、銅鉄合金板同士を下記条件
の不活性雰囲気中のＴＩＧアーク溶接で接合する。

【００１８】 電圧： ４０Ｖ 電流： ３８０〜４３０Ａ 電極： 直径4.8mm のタングステン棒 アルゴンガス流量： １８〜２０リットル／分 予熱： なし 溶接箇所より試験片（厚さ9.５mm、幅３０mm、長さ２５
０mm) を作製し、突合せ溶接継手の型曲げ試験方法（JI
S Z 3122）にしたがって、屈曲部半径１９mm、屈曲１８
０°の曲げ試験を行う。結果は良好であった。さらに、
溶接箇所より試験片（厚さ１０mm、幅４０mm、長さ３０
０mm) を作製し、突合せ溶接継手の引張げ試験方法（JI
S Z 3122）にしたがって、引張試験を行う。抗張力が４
５kg/mm²で、伸びが３０％であり、銅鉄合金板（８０％
Ｃｕ−２０％Ｆｅ）部分で破断した。

【００１９】銅板に銅鉄合金を肉盛した例 銅板（９9.９％純度）に本発明に係る共晶銅鉄合金（50
%Fe-50%Cu)線材の溶加棒を用いて、下記条件での不活性
雰囲気中のＴＩＧアーク溶接で肉盛を行う。 電圧： ４０Ｖ 電流： ４００〜４５０Ａ 電極： 直径4.8mm のタングステン棒 アルゴンガス流量： １８〜２０リットル／分 予熱： ４００℃ （条件はこれで良いで
しょうか？） 形成した肉盛箇所の接合界面での金属組織を図３の金属
顕微鏡写真（×１００）に示す。銅鉄合金肉盛層は銅板
にしっかりと固着している。

【００２０】ステンレス鋼板に銅鉄合金を肉盛した例 ステンレス鋼板に本発明に係る共晶銅鉄合金（30%Fe-70
%Cu)線材の溶加棒を用いて、下記条件での不活性雰囲気
中のＴＩＧアーク溶接で肉盛を行う。 電圧： ４０Ｖ 電流： ４００〜４５０Ａ 電極： 直径4.8mm のタングステン棒 アルゴンガス流量： １８〜２０リットル／分 形成した肉盛箇所の接合界面での金属組織を図４の金属
顕微鏡写真（×１００）に示す。銅鉄合金肉盛層はステ
ンレス鋼板にしっかりと固着している。

【００２１】上述の例での溶接方法をＴＩＧからＭＩＧ
にすることも可能である。 はんだによる銅および共晶銅鉄合金の摩耗 はんだゴテのチップとして、純銅線材（直径４mm、１０
０ｇ）と本発明に係る共晶銅鉄合金線材（５０Ｆｅ−５
０Ｃｕ、直径４mm、１００ｇ）とを用意する。溶融した
はんだ（６０％Ｓｎ−４０％Ｐｂ、３８０℃）液中にこ
れら線材を浸漬して、消耗量を調べると、図５に示すよ
うな結果が得られる。図５から明らかなように、銅は溶
融はんだにかなり溶けるが、銅鉄合金はあまり溶けな
い。共晶銅鉄合金では、図２の組織写真から分かるよう
に、線材長さ方向に直角な断面では銅中に鉄の露頭が密
に点在しており、銅部分ははんだ溶液に溶け込んでいく
が、鉄部分の存在によってある深さ以上にははんだ溶液
は溶出した所に入り込まない。

【００２２】さらに、純銅チップと比較すると銅鉄合金
チップは使用開始時の加熱昇温速度がが少し遅れるが、
所定温度（例えば、３８０℃）に達したならば、それ以
後は銅成分による熱伝導で問題なくチップ温度維持がな
される。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る共晶
銅鉄合金線材を溶加棒ないし溶接棒に用いることによっ
て、銅系金属と鉄系金属との溶接が信頼性高く実現で
き、さらに、銅系金属や鉄系金属への銅鉄合金の肉盛も
可能である。また、はんだゴテのチップに用いれば、銅
成分がはんだ付けを良くし、鉄成分がはんだ付け性は劣
るもののはんだに浸食されにくく、寿命を伸ばし、かつ
付着スケールのやすりがけができるなどの再加工して継
続使用することができる。そして、チップの摩耗量は少
なくかつその性能の異常劣化はないので、同時に複数の
はんだ付けができるように複数のチップをセットして用
いることができ、ばんだ付けの自動化、連続化に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】共晶銅鉄合金（５０Ｆｅ−５０Ｃｕ）の鋳造金
属組織の顕微鏡写真である（×３００）。

【図２】共晶銅鉄合金（５０Ｆｅ−５０Ｃｕ）の圧延金
属組織の顕微鏡写真である（×２００）。

【図３】共晶銅鉄合金（５０Ｆｅ−５０Ｃｕ）を銅板に
肉盛した時の接合部の金属組織の顕微鏡写真である（×
１００）。

【図４】共晶銅鉄合金（７０Ｆｅ−３０Ｃｕ）をステン
レス鋼板に肉盛した時の接合部の金属組織の顕微鏡写真
である（×１００）。

【図５】共晶銅鉄合金（５０Ｆｅ−５０Ｃｕ）線材およ
び純銅線材の溶融はんだに浸漬した時の消耗量のグラフ
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １０〜９０％のＣｕ、９０〜１０％のＦ
   ｅ、0.４％以下のＳｉ、0.１％以下のＴｉ、および不可
   避的不純物からなる共晶銅鉄合金であって、鋳造組織で
   分散した鉄粒子を有するインゴットを塑性加工で減面し
   て線材としたことを特徴とする共晶銅鉄合金線材。
2. 【請求項２】 銅系金属と鉄系金属とを不活性ガス雰囲
   気中でのＴＩＧまたはＭＩＧアーク溶接によって接合す
   る際に、前記共晶銅鉄合金線材が溶加棒または溶接棒に
   用いられることを特徴とする請求項１記載の共晶銅鉄合
   金線材。
3. 【請求項３】 前記共晶銅鉄合金線材がはんだゴテのチ
   ップに用いられることを特徴とする請求項１記載の共晶
   銅鉄合金線材。