JPH10140267A - 高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度及び高導電性を有する高Cr含有銅合金
材料を提供すること。 【解決手段】 Ｃｒを５〜３０％（ｗｔ％、以下同じ）
含有する良導電性の銅合金に、更に凝固時ならびに固相
中でのＣｒ相の晶出ないしは析出特性を制御するための
Ｚｒ、Ｔｉの一種または二種を合計で０．０５％以上
０．５％以下添加し、残部がＣｕと不回避不純物とから
なる銅合金であって、その金属組織において、凝固時に
晶出した針状のＣｒを加工によりファイバー状とし、且
つそのＣｒファイバーの厚さを５μｍ以下、若しくはＣ
ｒファイバー間のＣｕの厚さを５μｍ以下とした銅合金
材であり、引張強度が７００ＭＰａ以上で導電率が６５
％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度
で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発明者等が先に出
願した特許（特願平７−２６１６７０号、特願平８−５
９２９２号）の更なる高強度化を、高導電性を損なうこ
となく安価で効率よく達成するものである。本発明によ
りＣｕ基合金の用途全般に渡って有用な高強度で高電導
性の高Ｃｒ含有銅合金を提供することができる。なお、
本明細書においては、銅合金の合金組成は全てｗｔ％を
意味するものであるが、これを単に％と記すこととす
る。

【０００２】

【従来の技術】Ｃｒを５％以上高含有する銅合金は、耐
摩耗性、耐蝕性向上のために、凝固時に過剰なＣｒを晶
出させているだけで、溶製時の晶出Ｃｒの形態制御およ
び加工によるファイバー状への成形を行っておらず、そ
のため晶出Ｃｒの引張強度への効果は少なく、いずれも
引張強度が７００ＭＰａ未満の合金である。

【０００３】図１は、先願特許である特願平７−２６１
６７０号に記載のＣｕ−１５％Ｃｒ合金の溶製材である
が、第２相であるＣｒ晶が不均一に分布しており、また
その形状が等軸晶である。Ｃｒの等軸晶的形状は、冷間
加工を施してもファイバー状に成形し難く、この不均一
性はファイバーが均一分布を持つ複合材料となりにく
い。したがって、Ｃｒ晶の形態と分布が高強度化を阻害
していたため、前記先願特許は、ＣｕとＣｒの二元合金
（Ｃｕ−Ｃｒ合金）であるがために最高強度で１０００
ＭＰａに達成しなかった。

【０００４】先願特許である特願平７−２６１６７０号
（Ｃｕ−Ｃｒ合金）、特願平８−５９２９２号（Ｃｕ−
Ｃｒ−Ｃ、Ｎ、Ｂ合金）では、加工のままの材料の強度
が最も高く、導電率回復のための熱処理を加えると加工
歪みが緩和され引張強度が低下し、析出による引張強度
への寄与は少なかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高強
度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材を見出すことであ
り、具体的には、引張強度≧７００ＭＰａ望ましくは引
張強度≧１０００ＭＰａ、導電率≧６５％ＩＡＣＳを有
する高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材を安定的に
提供することである。また、本発明の他の課題は、前記
の特性を有する高Ｃｒ含有銅合金材の製造方法を見出す
ことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】Ｃｕ−Ｃｒ二相合金は、
Ｃｕへの固溶度が小さい第二相であるＣｒを晶出させ
る。この二相分離合金の場合、強度増加と電気的特性に
着眼すると、第二相のＣｒ晶を均一に分散させることが
好ましいが、本発明は、この第二相のＣｒ晶の形態と分
布を制御して、前記の発明の課題を解決するものであ
る。

【０００７】即ち、前記課題を解決するための請求項１
の発明は、Ｃｒを５〜３０％含有する良導電性の銅合金
に、更に凝固時ならびに固相中でのＣｒ相の晶出ない
し、析出特性を制御するためのＺｒ、Ｔｉの一種または
二種を合計で０．０５％以上０．５％以下添加し、残部
がＣｕと不回避不純物とからなる銅合金であって、その
金属組織において、凝固時に晶出した針状のＣｒを加工
によりファイバー状とし、且つそのＣｒファイバーの厚
さを５μｍ以下、若しくはＣｒファイバー間のＣｕの厚
さを５μｍ以下とした銅合金材であり、引張強度が７０
０ＭＰａ以上で導電率が６５％ＩＡＣＳ以上の性能を有
することを特徴とする高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅
合金材であり、

【０００８】請求項２の発明は、前記金属組織におい
て、凝固時に晶出した針状のＣｒを加工によりファイバ
ー状とし、且つそのＣｒファイバーの厚さを２μｍ以
下、若しくはＣｒファイバー間のＣｕの厚さを２μｍ以
下とした銅合金材であり、引張強度が１０００ＭＰａ以
上で導電率が６５％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを
特徴とする請求項１に記載の高強度で高電導性の高Ｃｒ
含有銅合金材である。

【０００９】また、請求項３の発明は、前記請求項１な
いし２に記載の特性を有する銅合金材の製造方法とし
て、Ｃｒを５〜３０％含有する良導電性の銅合金に、更
に凝固時ならびに固相中でのＣｒ相の晶出ないしは析出
特性を制御するためのＺｒ、Ｔｉの一種または二種を合
計で０．０５％以上０．５％以下添加し、残部がＣｕと
不回避不純物とからなる銅合金鋳塊を用いて、凝固時に
晶出した針状のＣｒをファイバー状にするための加工、
及び固溶ＣｒならびにＺｒ、Ｔｉの析出のための熱処理
として、４００℃以上６００℃以下で０．５時間以上の
熱処理を行うことを特徴とする高強度で高電導性の高Ｃ
ｒ含有銅合金材の製造方法であり、

【００１０】請求項４の発明は、前記請求項３に記載の
加工および熱処理は、加工を行った後に熱処理を行う場
合、熱処理を行った後に加工を行う場合、また、２以上
の加工若しくは熱処理を組み合わせて行う場合を含むこ
とを特徴とする高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材
の製造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、前記各発明について、詳細
に説明する。 （１）請求項１及び２の発明について 請求項１の発明は、Ｃｒを５〜３０％含有する良導電性
の銅合金に、更に凝固時ならびに固相中でのＣｒ相の晶
出ないし、析出特性を制御するためのＺｒ、Ｔｉの一種
または二種を０．０５％以上０．５％以下添加し、残部
がＣｕと不回避不純物とからなる組成の銅合金であっ
て、凝固時に晶出した針状で微細なＣｒを加工によりフ
ァイバー状とし、且つそのＣｒファイバーの厚さを５μ
ｍ以下、若しくはＣｒファイバー間のＣｕの厚さを５μ
ｍ以下とした銅合金材であり、このようにすることによ
って、引張強度が７００ＭＰａ以上で導電率が６５％Ｉ
ＡＣＳ以上の特性を有する高強度で高電導性の高Ｃｒ含
有銅合金材が得られるものである。

【００１２】本発明をこのように限定するのは、以下の
理由によるものである。即ち銅合金におけるＣｒは、凝
固時に晶出したＣｒを加工によりファイバー状にするこ
とにより、導電性を低下させることなく、強度（引張強
度）を向上させる元素であり、その含有量を５〜３０％
と限定したのは、５％未満では晶出してくるＣｒが少な
く高強度が達成できないためであり、３０％を越えると
実用上溶解が困難であることと、加工でＣｒをファイバ
ー状に成形する時にＣｒ同士が接触し加工が困難となる
ためである。

【００１３】また、Ｚｒ、Ｔｉの一種または二種を合計
で０．０５％以上０．５％以下添加するのは、凝固時な
らびに固相中でのＣｒ相の晶出ないし、析出特性を制御
して材料の高強度化を達成するためである。このことに
ついて更に詳細に説明すると、Ｃｕ−Ｃｒ合金は、Ｃｕ
相とＣｒ相との融点差が大きく凝固時においては、第二
相のＣｒ晶を制御することが必要であるが、この手段と
してＺｒ、Ｔｉを用いて行うものである。これらの元素
を用いることで、Ｃｕ溶湯中に均一分散し、図２（Ｃｕ
−１５％Ｃｒ−０．１５％Ｚｒ合金溶製材）に示すごと
く、後の加工が容易な針状のＣｒ晶を有する微細で良好
な鋳造組織を得ることができる。また、添加したＺｒ、
Ｔｉは、母相への固溶状態においては、比抵抗増加に大
きく寄与する。従って最適温度と時間で熱処理を行うこ
とで、添加したＺｒ、Ｔｉを単独ないしはＣｕと金属間
化合物として析出させて強度増加とともに導電率回復を
行うものである。Ｚｒ、Ｔｉの一種または二種の添加量
を合計で０．０５％以上０．５％以下と限定したのは、
０．０５％未満では前記の効果がなく、０．５％を越え
ると加工初期にて材料表面から割れが発生し、加工を続
けると材料が破断し加工することが困難となるからであ
る。

【００１４】本発明に係わる銅合金材は、前記組成のＣ
ｕ−Ｃｒ−Ｚｒ、Ｔｉ合金であるが、この金属組織は、
凝固時に晶出した微細な針状のＣｒが加工によりファイ
バー状となっっている。凝固時に晶出した微細な針状の
Ｃｒを加工によりファイバー状とすることによって、強
度（引張強度）と電気的特性を大幅に向上することがで
きる。図３は、本発明に係わる銅合金材断面を研磨し、
その断面の光学顕微鏡による金属組織であり、晶出した
Ｃｒが延びていることがわかる。また図４は、上記試料
について、硝酸でＣｕ部を除去した後の走査電子顕微鏡
による金属組織であり、Ｃｒがファイバー状になってい
ることがわかる。

【００１５】本発明の銅合金材は、加工によって、前記
のＣｒファイバーの厚さを５μｍ以下、若しくはＣｒフ
ァイバー間のＣｕの厚さを５μｍ以下とした金属組織と
することを特徴とするものである。このようにすること
によって、引張強度が７００ＭＰａ以上で導電率が６５
％ＩＡＣＳ以上の特性を得ることが可能となる。

【００１６】次に、請求項２の発明は、前記請求項１の
発明の好ましい実施態様であり、加工後のＣｒファイバ
ーの厚さを２μｍ以下、若しくはＣｒファイバー間のＣ
ｕの厚さを２μｍ以下と、更に小さくした銅合金材であ
り、引張強度が１０００ＭＰａ以上で導電率が６５％Ｉ
ＡＣＳ以上の特性を有するものである。このように加工
により、Ｃｒファイバーの厚さ若しくはＣｒファイバー
間隔を、更に小さくすることによって、高導電率を維持
しながら引張強度が１０００ＭＰａ以上の材料を得るこ
とができる。

【００１７】（２）請求項３及び４の発明について 請求項３、４の発明は、前記請求項１、２の発明に係わ
る高Ｃｒ含有銅合金材の製造方法に関するものである。
まず、請求項３の発明は、Ｃｒを５〜３０％を含有する
良導電性の銅合金に、更に凝固時ならびに固相中でのＣ
ｒ相の晶出ないしは析出特性を制御するためのＺｒ、Ｔ
ｉの一種または二種を合計で０．０５％以上０．５％以
下添加し、残部がＣｕと不回避不純物とからなる銅合金
鋳塊を用いて、凝固時に晶出した針状のＣｒをファイバ
ー状にするための加工、及び固溶ＣｒならびにＺｒ、Ｔ
ｉの析出のための熱処理として、４００℃以上６００℃
以下で０．５時間以上の熱処理を行うことを特徴とする
高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材の製造方法であ
る。

【００１８】本発明は、所定の合金組成に配合して溶解
鋳造して鋳塊とし、これを熱間加工、続いて冷間加工
（必要に応じて中間焼鈍）して所定の形状の材料（線
材、板材等）とされるが、冷間加工工程の適当なところ
で、固溶ＣｒならびにＺｒ、Ｔｉの析出処理として４０
０℃以上６００℃以下で０．５時間以上の熱処理（析出
処理若しくは時効処理）を行うものである。本発明にお
ける加工は、熱間加工及び冷間加工を意味し、圧延加
工、伸線加工、押出加工等が含まれ、また、その加工後
の材料は、線材、板材、棒材等となる。また、本発明に
おいて、この加工を行うのは、当然のことながら材料を
所定の形状寸法とするためであり、鋳造時に晶出するＣ
ｒ晶を前記加工によって、ファイバー状にするためであ
る。

【００１９】本発明において、前記の熱処理（析出処理
若しくは時効処理）を行うのは、強度の向上と導電率の
回復のためである。温度が４００℃未満、処理時間が
０．５時間未満では、所定の特性を得ることができな
い。また、温度が６００℃を越えると、過時効（析出過
多）により、強度が低下する。従って熱処理条件は、４
００℃以上６００℃以下で０．５時間以上とする。

【００２０】図５は、本発明に係わる銅合金材（冷間圧
延材）を用いて、種々の温度で１ｈｒの時効処理後に、
硬度調査を行った結果である。従来材（Ｃｕ−１５％Ｃ
ｒ合金、Ｃｕ−１５％Ｃｒ−Ｃ、Ｎ合金）は、５００℃
で硬度がAs-rolled （冷間圧延材のまま）を下回る傾向
を示すが、本発明に係わるＣｕ−１５％Ｃｒ−Ｚｒ合金
材ならびにＣｕ−１５％Ｃｒ−Ｔｉ合金材は、６００℃
以上の温度で時効しなければAs-rolled の硬度を下回ら
ず、従来材に比べ強度が優れていることを示している。

【００２１】また、図６は、本発明に係わる銅合金材
（冷間圧延材）を用いて、種々の温度で１ｈｒの時効処
理後に引張試験を行った結果である。従来のＣｕ−１５
％Ｃｒ合金、Ｃｕ−１５％Ｃｒ−０．０１％Ｃ合金は、
いずれの温度で時効してもAs-rolled を越える強度を得
ることは出来なかったが、本発明に係わるＣｕ−１５％
Ｃｒ−０．１５％Ｚｒ合金材、Ｃｕ−１５％Ｃｒ−０．
２１％Ｔｉ合金材については、最適温度領域で、時効す
ることにより、As-rolled の強度を上廻っていることを
示している。

【００２２】次に、請求項４の発明は、前記請求項３に
記載の加工および熱処理は、加工を行った後に熱処理を
行う場合、熱処理を行ってから加工を行う場合、また、
２以上の加工若しくは熱処理を組み合わせて行う場合を
含むことを特徴とする高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅
合金材の製造方法である。即ち、本発明の製造方法は、
前記熱処理を、加工工程、主として冷間加工工程のどの
時点でおこなってもかまわない。また、前記加工若しく
は熱処理が二回以上の組み合わせからなる工程で製造し
てもよい。この製造工程の具体例は、後に示す実施例で
説明する。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の実施例（本発明例）を比較例
とともに、具体的に説明する。 〔実施例１〕本発明の実施に当たっては、まず改良され
た金属組織を有する鋳塊を得る必要がある。即ち、凝固
時にＣｒ晶を針状で微細に晶出させた鋳塊を得ることで
ある。表１に示す合金元素を配合し、これを高周波真空
溶解炉で溶解鋳造して４５ｍｍ×４５ｍｍ×１３０ｍｍ
の鋳塊を得た。

【００２４】この鋳塊組織の状態について、Ｃｒ晶の針
状化、Ｃｒ晶の均一化、Ｃｒ晶の凝集程度の観点から、
評価した。評価方法は、以下のとおりである。 （１）Ｃｒ晶の針状化 鋳造組織における個々のＣｒ晶のアスペクト比（長さ／
厚さ）を算出し、以下の評価基準で決めた。 ◎＝８以上、○＝６以上８未満、△＝４以上６未満、×
＝２以上４未満 （２）Ｃｒ晶の均一化 鋳造組織における個々のＣｒ晶の面積を求め、その分散
を逸脱する個数の割合を以下の評価基準で決めた。 ◎＝１０％未満、○＝２０％未満、△＝２０％以上 （３）Ｃｒ晶の凝集程度 鋳造組織における個々のＣｒ晶の単位面積当たりの数
（密度）を求め、その分散を用いて以下の評価基準で決
めた。 ○＝おおむね分散内、△＝中間、×＝あきらかに分散外

【００２５】次にこの鋳塊を、９００℃で外径２２．５
ｍｍの角材に熱間鍛造した。続いてこれを冷間で圧延及
び伸線して、外径１ｍｍの線材とした。なお、必要に応
じて冷間加工の途中で中間焼鈍を入れた。上記の伸線加
工における材料の加工性（従って、材料中のＣｒのファ
イバーへの加工性）について、以下の基準で評価した。 ◎＝冷間加工率９９％以上可能、○＝冷間加工率９０％
以上可能 △＝冷間加工率５０％以上可能、×＝可能な冷間加工率
５０％未満 これらの結果を、表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１から明らかなごとく、本発明の合金組
成の銅合金は、鋳塊組織において優れ、この鋳塊の減面
加工性、Ｃｒファイバーへの加工性に優れていることが
わかる。

【００２８】〔実施例２〕表２に示す合金組成の鋳塊
（４５ｍｍ×４５ｍｍ×１３０ｍｍ）を作製した。次に
この鋳塊を、９００℃で外径２２．５ｍｍの角材に熱間
鍛造した。続いてこれを溝ロールで冷間圧延して、外径
３ｍｍの線材とした。次にこの材料について、更に圧延
し、最小外径１ｍｍまでダイス等を用いて、冷間で線引
きした。これを５００℃で１時間の析出時効処理を行っ
た後、試験材とした。この試験材について、長手方向断
面のＣｒファイバーの厚さ及びＣｒファイバーの間隔を
顕微鏡で測定した。なお測定は、約１００点測定し、そ
の最大値（μｍ）を求めた。また、この試験材につい
て、引張強度（ＭＰａ）を測定した。これらの結果を、
表２に併記した。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２から明らかなごとく、本発明に係わる
銅合金材は、いずれも引張強度が７００ＭＰａ以上であ
り、高強度であることがわかる。

【００３１】〔実施例３〕表２のＮｏ．１−１、２−１
の合金について、実施例２と同様な製造方法で、外径１
ｍｍの線材を製作した。この線材のＣｒファイバーの厚
さ及びＣｒファイバーの間隔は、表３に示すごとく、い
ずれも１μｍ以下である。この線材について、表３に示
す各種の温度、時間で析出熱処理を行って試験材とし
た。この試験材について、引張強度と導電率を測定し、
この結果を表３に併記した。

【００３２】

【表３】

【００３３】表３から明らかなごとく、Ｃｒファイバー
の厚さ及び間隔が小さくなると、引張強度が１０００Ｍ
Ｐａ以上で導電率が６５％ＩＡＣＳ以上の銅合金材が得
られることがわかる。また、所定の加工と熱処理条件に
より、高強度で高導電率の材料が得られることもわか
る。

【００３４】〔実施例４〕表２のＮｏ．１−１の合金に
ついて、実施例２と同様に、溶解鋳造、熱間加工して外
径２２．５ｍｍの角材の材料を作製した。そして、溝ロ
ール圧延機、及びダイス等を用いて、中間に以下のよう
な冷間加工(CR:Cold Roll)と５００℃×１時間の析出熱
処理(Aging) を含む製造工程で、外径２ｍｍ以下の各種
の試験線材を得た。 Ｎｏ．８−１ 90%CR →Aging Ｎｏ．８−２ Aging →90%CR Ｎｏ．８−３ 90%CR →Aging →10%CR Ｎｏ．８−４ 90%CR →Aging →10%CR →Aging このようにして得られた線材について、Ｃｒファイバー
の厚さ及び間隔、引張強度、導電率を測定し、その結果
を表４に記した。

【００３５】

【表４】

【００３６】表４から明らかなように、本発明に係わる
銅合金材の製造工程において、加工と熱処理がどのよう
な組み合わせであっても、所定の引張強度と導電率が得
られることがわかる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したごとく、本発明は、引張強
度≧７００ＭＰａ、導電率≧６５％ＩＡＣＳを有する高
強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金を安定的に提供する
ことが可能である。更にＣｒファイバーとＣｒファイバ
ーの間にあるＣｕの厚さが共に２μｍ以下になった場合
に１０００ＭＰａ以上を発現し、Ｃｕ基合金の用途全般
に渡って有用な高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金を
安定的に提供することができる等、工業上顕著な効果を
奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】先願特許（特願平７−２６１６７０号）のＣｕ
−１５％Ｃｒ合金溶製材の光学顕微鏡による組織

【図２】本発明に係わるＣｕ−１５％Ｃｒ−０．１５％
Ｚｒ合金溶製材の光学顕微鏡による組織

【図３】本発明に係わる銅合金材の光学顕微鏡による組
織

【図４】図３の銅合金材について、硝酸を用いてＣｕ部
を除去した後の走査型電子顕微鏡による像

【図５】時効熱処理後に硬度調査を行った結果

【図６】時効熱処理後に引張強度を行った結果

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 洋夫 茨城県つくば市千現１−２−１ 科学技術 庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 宮内 理夫 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒを５〜３０％（ｗｔ％、以下同じ）
   含有する良導電性の銅合金に、更に凝固時ならびに固相
   中でのＣｒ相の晶出ないしは析出特性を制御するための
   Ｚｒ、Ｔｉの一種または二種を合計で０．０５％以上
   ０．５％以下添加し、残部がＣｕと不回避不純物とから
   なる銅合金であって、その金属組織において、凝固時に
   晶出した針状のＣｒを加工によりファイバー状とし、且
   つそのＣｒファイバーの厚さを５μｍ以下、若しくはＣ
   ｒファイバー間のＣｕの厚さを５μｍ以下とした銅合金
   材であり、引張強度が７００ＭＰａ以上で導電率が６５
   ％ＩＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする高強度
   で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材。
2. 【請求項２】 前記金属組織において、凝固時に晶出し
   た針状のＣｒを加工によりファイバー状とし、且つその
   Ｃｒファイバーの厚さを２μｍ以下、若しくはＣｒファ
   イバー間のＣｕの厚さを２μｍ以下とした銅合金材であ
   り、引張強度が１０００ＭＰａ以上で導電率が６５％Ｉ
   ＡＣＳ以上の特性を有することを特徴とする請求項１に
   記載の高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材。
3. 【請求項３】 請求項１ないし２に記載の特性を有する
   銅合金材の製造方法として、Ｃｒを５〜３０％含有する
   良導電性の銅合金に、更に凝固時ならびに固相中でのＣ
   ｒ相の晶出ないしは析出特性を制御するためのＺｒ、Ｔ
   ｉの一種または二種を合計で０．０５％以上０．５％以
   下添加し、残部がＣｕと不回避不純物とからなる銅合金
   鋳塊を用いて、凝固時に晶出した針状のＣｒをファイバ
   ー状にするための加工、及び固溶ＣｒならびにＺｒ、Ｔ
   ｉの析出のための熱処理として、４００℃以上６００℃
   以下で０．５時間以上の熱処理を行うことを特徴とする
   高強度で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の加工および熱処理は、
   加工を行った後に熱処理を行う場合、熱処理を行った後
   に加工を行う場合、また、２以上の加工若しくは熱処理
   を組み合わせて行う場合を含むことを特徴とする高強度
   で高電導性の高Ｃｒ含有銅合金材の製造方法。