JPS61108492A

JPS61108492A - 電極用アルミナ繊維強化銅複合材料

Info

Publication number: JPS61108492A
Application number: JP23077984A
Authority: JP
Inventors: Shuntaro Sudo; 俊太郎須藤; Yoshitaka Takahashi; 義孝高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1984-11-01
Filing date: 1984-11-01
Publication date: 1986-05-27

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、繊維強化金属複合材料に係り、更に詳細には
電極用のアルミナ繊維強化銅複合材料に係る。

従来の技術スポット溶接、シーム溶接等の重ね抵抗溶接に、於ける
電極は被溶接材に対し大電流密度の通電及び強加圧を行
うものであり、従って導電性に侵れ且耐摩耗性及び強度
に優れていることが必要である。また溶接部に於て多大
の抵抗熱が発生するため、電極は高温強度及び熱伝導性
に優れていることが必要とされる。そのため重ね抵抗溶
接用の電極は従来より一般に純銅に数％のクロムやベリ
リウムを添加した銅合金にて形成されている。

発明が解決しようする問題点しかし耐摩耗性等の向上を図るべく純銅に対する合金元
素の添加聞を増大すると、導電性が低下し、通電性能の
低下や電極自身の発熱ｍの増大等の問題が生じ、逆に合
金元素の添加ｍを低減すると耐摩耗性や強度の低下を来
たし耐久性が不十分になる。従って合金元素の添加によ
り耐摩耗性や強度の如き機械的性質と導電性や熱伝導性
の如き電気的熱的性質とを共に向上させることは非常に
困難である。

また電極等に使用される銅合金の耐摩耗性や強度などを
向上させるべく、銅合金中に硬質粒子を分散させた粒子
分散強化銅合金や析出時効型銅合金などが既に知られて
いる。しかしこれらの銅合金に於ては、製造が困難であ
り、被削性が悪く、高温強度が不十分であるなど種々の
問題がある。

更にに開明５５−１４４３８６号に開示されている如く
、電極棒の少なくとも先端部が銅又は銅を主成分とする
金属と炭素繊維との複合材料にて構成されたスポット溶
接機用電極棒が既に知られている。しかしかかるｆｆ１
１Ｍ棒に於ては、炭素繊維の高温での性能が不十分であ
るため、炭素繊維を強化材とし純銅又は銅合金をマトリ
ックスとする複合材料は高温での硬さが低く高温での耐
摩耗性が悪く、従ってかかる複合材料製の電極にて多数
回の溶接を行うと良好な溶接部がｉｑられなくなるとい
う問題がある。

本願発明者等は、従来の電極材料に於ける上述の如き問
題に罵み、種々の実験的研究を行った結果、高純度の純
銅をマトリックスとし、所定の要件を満たすアルミナ繊
維帷を強化材とする複合材料によれば、二律背反の関係
にある耐摩耗性や強度の如き機械的性質と導電性や熱伝
導性の如き電気的熱的性質との両方に優れた電極を製造
し１ｑることを見出した。

本発明は、本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基づき、耐摩耗性、強度の如き機械的
性質に優れ、しかも導電性、熱伝導性、高温強度の如き
電気的熱的性質にも浸れ、従って重ね抵抗溶接用の電極
の如き電極の形成に使用されるに適した電極用アルミナ
繊維強化銅複合材料を提供することを目的としている。

問題点を解決するための手段上述の如き目的は、本発明によれば、平均繊維径が５０
μ以下であり、アスペクト比が５〜１５０００であるア
ルミナｍ維を強化材とし、純度９９．５％以上の純銅を
マトリックスとし、前記アルミナ繊維の体積率が２．０
〜２５％である電極用アルミナ繊維強化銅複合材料によ
って達成される。発明の作用及び効果アルミナ繊維は炭素繊維等に化して強度、剛性、高温に
於ける安定性などに優れており、従ってマトリックス金
属の強度、剛性、耐摩耗性を向上させる効果の高い繊維
である。本願発明者等が行った実験的研究の結果によれ
ば、アルミナ４Ｍ帷の体積率が非常に小さい場合には強
度向上効果等の機能が十分には発揮されないが、特に複
合材料の耐摩耗性はアルミナ繊維の体積率が数％程度で
あっても大幅に向上する。従ってアルミナ繊維の体積率
は２．０％以上、特に５．０％以上であることが好まし
い。また複合材料の強度等はアルミナ繊維の体積率が高
くなればなるほど向上するので、複合材料の機械的性質
を向上させる点からはアルミナ繊維の体積率ができるだ
け高い値であることが好ましい。しかし本願発明者等が
行った実験的研究の結果によれば、アルミナ繊維の体積
率が高くなりすぎると、複合材料の導電性や熱伝導性が
著しく低下するだけでなく、粉末冶金法にて複合材料を
製造する場合に於ては、アルミナ繊維と銅粉末とを均一
に混合することが困難になり、従ってアルミナ繊維が均
一に分散された複合材料を製造することが困難であり、
銅粉末の焼結が良好に行われなくなるという問題があり
、加圧鋳造法にて複合材料を製造する場合には、高体積
率の繊維成形体中に銅溶湯を良好に浸透させることが困
難になるので、アルミナ繊維の体積率は２５％以下、特
に２０％以下であることが好ましい。従って電極用アル
ミナ繊維強化銅複合材料に於ては、アルミナ繊維の体積
率は２．０〜２５％、特に５．０〜２０％、更には８．
０〜１５％であることが好ましい。

アルミナ繊維は現在様々の平均繊維径及びアスペクト比
のものが市販されているが、アルミナ繊維の４１ｉ帷径
が小さい場合には、繊維集合体より側々のアルミナ繊維
をほぐすことが困難であるため複合材料製造に際しての
作業性が悪く、アルミナ繊維自身の強度も低く、粉末冶
金法の場合に於てはアルミナｍ維と銅粉末とを混合する
場合にアルミナ繊紺が破断し易く、加圧鋳造法の場合に
はアルミナｍｍ同士の体積率の小さい繊維成形体を形成
することが困！ｌａである。逆に繊ｆａ径が大きい場合
には、粉末冶金法に於てはアルミナ繊維と銅粉末との混
合物に於けるこれら相互の接触が不十分になり、従って
焼結後に於てもアルミナ繊維とマトリックス金属との間
の！着が不十分になり易く、加圧鋳造法の場合には均質
な繊維成形体を形成することが田デ「である。またアル
ミナ繊維の繊維長が短いＩ！Ａ合には、アルミナ繊維が
Ｉｎ雄として十分に作用せず、従って強度向上効果等が
不十分になり易く、逆に繊維長が大きい場合には粉末冶
金法に於てはアルミナ繊維と銅粉末とを混合する過程に
於てアルミナｍｍ同士が絡み合ってアルミナ繊維の１偏
析が生じやすく、加圧ｖｒ造法に於ては均質なｍ維成形
体を形成することが困難になる。従って本願発明者等が
行った実験的研究の結果によれば、アルミナ繊維の平均
繊維径は５０μ以下、特に１〜２０μであることが好ま
しく、アスペクト比は５〜１５つＯＯｌ特に１０〜１５
００、更には５０〜１０００であることが好ましい。

更にマトリックス金属としての純銅は銀に次いで導電性
の高い１ものであるが、その導電性は純度が低下するに
つれて低下する。本願発明者等が行った実験的研究の結
果によれば、上述の如きアルミナ繊維にて複合強化され
る純銅の純度は９９゜５％以上、特に９９．７％以上で
あることが好ましい。

本発明によれば、強化材としてのアルミナ繊維の大きざ
及び体積率、マトリックス金属としての純銅の純度が上
述の如く設定されるので、耐摩耗性１強度の如き機械的
性質に優れ、しかも導電性、熱伝導性、高温強度の如き
電気的熱的性質にも優れた電極用アルミナｍ維強化銅複
合材料を得ることができる。

尚本願発明者等が行った他の実験的研究の結果によれば
、電極用アルミナ繊維強化銅複合材料の導電性はその密
度比、即ち複合材料の見掛けの密度に対する真密度の比
が低下するにつれて低下する。従って本発明の一つの詳
細な特徴によれば、複合材料の密度比は０．９０以上、
特に０．９２以上、更には０．９３以上に設定される。

また本フチ明による複合材料が重ね抵抗溶接用の電極に
適用される場合に於て、電極自身の発熱を低減し、良好
な抵抗溶接を実現するためには、本願発明者等が行った
実験的研究の結果によれば。

複合材料の導電率ｌＡＣ３は６５％以上であることが好
ましい。従って本発明の他の一つの詳細な特徴によれば
、複合材料の導電率ｌＡＣ３は６５％以上、特に６７％
以上、更には７０％以上に設定される。

更にブローイング法などにて製造されるアルミナ繊維の
集合体中にはその製法工大なり小なり非［を化粒子が含
まれており、これらの非１１帷七粒子はその硬さＨｖ　
　（５０ｇ）が７５０以上であり、またその大きさもア
ルミナ繊維の繊維径に比して非常に大きいものである。

本願発明者等が行った研究の結果によれば、かかる非繊
維化粒子を含有するアルミナ繊維の集合体を強化材とす
る複合材料は加工性が非常に悪く、かかる複合材料が電
極に適用された場合には非繊維化粒子がマトリックスよ
り脱落することに起因して被溶接材に異常摩耗の如き不
具合を発生させることがある。かかる問題は特に直径１
５０μ以上の比較的大きい非繊維化粒子の含有率が高い
場合に顕著である。従って本発明の更に他の一つの詳細
な特徴によれば、アルミナ繊維の集合体中に含まれる直
径１５０μ以上の非繊維化粒子の量は７ｗｔ％以下、特
に５ｗｔ％以下、更には１ｗｔ％以下に制限される。

尚本発明の複合材料がスポット溶接装置等の電極に適用
される場合には、電極の全体が複合材料にて形成されて
もよく、また電極の被溶接材との当接部のみが複合材料
にて形成され、他の部分が純銅にて形成されてもよい。

以下に添付の図を参照しつつ本発明を実施例について詳
細に説明する。

（１〉鋳造例集合体中に含まれる直径１５０μ以上の非繊維化粒子の
含有量が実質的に零であるよう処理された下記の表１に
示された種々のアルミナ繊維を用意し、それらのアルミ
ナ繊維１にて第１図に示さレテイル如き縦８０ｖｎ、横
８０ＩＩＩＩｎ、高さ２０ｍｍの繊維成形体２を形成し
た。この場合アルミナ繊維は８０Ｘ８（Ｍｌの端面に平
行な平面内に於てはランダムであり、高さ方向に８！Ｊ
層された状態にて配向された。同表１の試料２．３．４
．５．８．９のアルミナ繊維はＩＣＩ株式会社製の「サ
フィール」で６ウリ、試料６のアルミナ繊維は住友化学
株式会社製の「仕上アルミナファイバー」であり、試料
７のアルミナ１１雄はデュポン社製の［ファイバＦＰＪ
であった。

次いで繊維成形体２を６００℃に予熱した後、第２図に
示されている如く下型３と上型４とノックアウトピン５
とよりなる高圧鋳造装置６の下型３内に配置し、該下型
内に１２００℃の純銅（純度９９．９％）の溶湯７を注
ｉ易し、該溶湯を約１０００　ｋｇ／１ｍ’の圧力にて
加圧し、その加圧状態を溶湯が完全に凝固するまで保持
した。溶湯が完全に凝固した後下型３内よりノックアウ
トビン５により凝固体を取出し、該凝固体に対し研削等
の機械加工を施した。かくして得られた凝固体のアルミ
ナ繊維にて強化された純銅よりなる部分について室温及
び５００’Ｃに於けるビッカース硬さ、導電率及び密度
比の測定を行った。その結果を下記の表２に示す。

また上述の如く形成された凝固体に対し旋削等の機械加
工を施して、第３図に示されている如く、全長１＝２３
１１１１１．呼び径ａ　＝　１５＋ｎｏ＋’、電極先端
の直径、即ち図には示されていない被溶接材との当接面
９ａの直径ｄ＝５ｍｍ、電極先端外周部の径方向断面の
曲率半径Ｒ−８ｍｌ＋＋であり、直径が呼び径よりも小
さい先端部８のみがアルミナ繊維にて複合強化されたス
ポット溶接用の電極チップ９を形成した。尚第３図に於
て９ｂは冷却水通路を示している。

上述の如く形成された電極チップ９を用いて、第４図に
示されている如く、２枚の厚さＱ、８ｍｍの冷間圧延鋼
板（ＪＩＳ規格５ＣＰ２８Ｃ）の被溶接材１０に対し１
０００打点のスポット溶接を行い、１００打点目の溶接
が行われた後の電極当り径を測定し、また被溶接材１０
に正常なナゲツトを形成し得る溶接打点回数をチップの
寿命として測定した。これらの結果を下記の表２に示す
。

（２）焼結例下記の表３に示されたアルミナ繊維１１及び純銅（純度
９９．９％）粉末１２をそれぞれアルミナ１１雄の体積
率が所定の値になるよう秤量し、それらを第５図に示さ
れている如きＶ型混粉機１３を用いて、回転数３ｏｒｐ
ｍ、混粉時間３０分にて乾式混粉を行った。尚表３於て
試料１０．１２〜１９のアルミナ繊維は住友化学株式会
社製の「仕上アルミナファイバー」であり、試料１１．
２０〜２３のアルミナ繊維はＩＣＩ株式会社製の「サフ
ィール」であった。

次いで上述の如く混粉することにより得られた混合物を
順次第６図に示されている如きホットプレス装置１４の
型１５内に配置し、ヒータ１６により８００℃に加熱し
つつアッパパンチ１７とロアパンチ１８とにより加圧力
２００　ｋａ、、’♂、加圧時間１０分、雰囲気１０−
３Ｔｏｒｒの真空の条件にてホットプレスを行った。か
くして得られた焼結体に対し研削等の機械加工を行った
後、室温及び５００℃に於けるビッカース硬さ、導電率
、密度比をそれぞれ測定した。その測定結果を下記の表
゛４に示す。

また上述の如く形成された焼結体に対し旋削等の機械加
工を行って、第３図に示されている如く、全長１−２３
ｍｎ＋、呼び径ａ−１５ｍｍ１被溶接材との当接面９ａ
の直径ｄ＝６１′１Ｉ１１電極先端外周部の径方向断面
の曲率半径Ｒ＝　８　ｌＷｍであり、全体に亙すアルミ
ナ繊維にて複合強化された純銅よりなるスポット溶接用
の電極チップ９を形成した。かくして形成された電極チ
ップを用いて、上述の鋳造例に於て行われた溶接試験と
同一の要領及び同一の条件の溶接試験を行い、スポット
溶接が１０００打点行われた後の電極当り径及び電極チ
ップの寿命を測定した。その測定結果を表４に示す。

（３）比較例スポット溶接用の電極チップ購成材料として現在賞月さ
れているクロム銅（ｃｕ　−ｏ、　６ｗｊ％Ｃｒ）を試
料１として用意し、該試料について常温及び５００℃に
於けるビッカース硬さ、導電率、密度比を測定し、また
このクロム銅にて形成された電極チップを用いて上述の
溶接試験と同一の要領及び条件にて溶接試験を行い、電
極当り径及び電極チップの寿命を測定した。その結果を
下記の表２に示す。

下記の表１〜表４より、特に試料２．３．５．６．８．
９より、アルミナ繊維の体積率が高くなるにつれて電極
チップの硬さが増大するが、試料２．３．５．２０と試
料８．９との対比により、アルミナ繊維の体積率が高く
なるにつれて電極チップの寿命が著しく低下することが
わかる。従ってアルミナ繊維の体積率は２５％以下であ
ることが好ましい。また試料１０び１１より、アルミナ
繊維の体積率は２．０％以上であることが好ましいこと
がわかる。また試料４〜７より、平均繊維径が８０μの
如く比較的大きい場合には電極チップの寿命が短く、従
ってアルミナ繊維の平均繊維径は１０μ以下であること
が好ましいことがわかる。但し１０１株式会社製のアル
ミナ繊維「サフィールＪは繊維径のばらつきが大きく、
直径５０μ程度の繊維も含まれていることから判断すれ
ば、アルミナｍＨの平均繊維径は５０μ以下が好ましい
ものと推測される。

また試料１２と１３との比較より、アスペクト比が５未
満の場合には電極当り径が著しく増大し、試料１６と１
７との比較より、アスペクト比が１５０００を越えると
７１１極チツプの寿命が著しく低下することがわかる。

従ってアルミナ繊維のアスペクト比は５〜１５０００で
あることが好ましい。

更に試料２０〜２３より、密度比が０．９０未満の場合
には電極チップの寿命が非常に短く、また導電率が６５
％未満の場合にも電極チップの寿命が短いことがわかる
。従って密度比及び導電率はそれぞれ０．９０以上、６
５％以上であることが好ましい。

以上の説明より、本発明によれば、重ね抵抗溶接用の電
極の形成に適した優れた電極用アルミナ繊維強化銅複合
材料が得られることが理解されよう。

以上に於ては本発明を幾つかの比較例との対比に於て本
発明の複合材料の幾つかの実施例について詳細に説明し
たが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、本発明９範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

表　　　　　１表　　　　　　２表　　　　　３表　　　　　４

【図面の簡単な説明】

第１図はアルミナ繊維にて形成されたＲｊ＆維成形成形
体す斜視図、第２図は第１図に示された繊維成形体を用
いて複合材料が製造される場合の鋳造工程を示す断面図
、第３図は本発明による複合材料にて形成されたスポッ
ト溶接用の電極チップの一つの実施例を示す解図、第４
図は第３図に示された電極チ、ツブを用いて行われるス
ポット溶接の要領を示す解図、第５図及び第６図は粉末
冶金法による複合材料の製造過程の混粉工程及びホット
プレス工程を示す断面図である。１・・・アルミナ繊維、２・・・繊維成形体、３・・・
下型、４・・・上型、５・・・ノックアウトビン、６・
・・高圧鋳造装置、７・・・溶湯、８・・・先端部、９
・・・電極チップ、９ａ・・・当接面、９ｂ・・・冷却
水通路、１０・・・被溶接材、１１・・・アルミナｍ帷
、１２・・・純銅粉末、１３・・・Ｖ型混粉機、１４・
・・ホットプレス装置、１５・・・型、１６・・・ヒー
タ、１７・・・アッパパンチ、１８・・・ロアバンチ第１図第２図第　３　ｌ第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）平均繊維径が５０μ以下であり、アスペクト比が
５〜１５０００であるアルミナ繊維を強化材とし、純度
９９．５％以上の純銅をマトリックスとし、前記アルミ
ナ繊維の体積率が２．０〜２５％である電極用アルミナ
繊維強化銅複合材料。
（２）特許請求の範囲第１項の電極用アルミナ繊維強化
銅複合材料に於て、前記複合材料の密度比は０．９０以
上であることを特徴とする電極用アルミナ繊維強化銅複
合材料。
（３）特許請求の範囲第１項又は第２項の電極用アルミ
ナ繊維強化銅複合材料に於て、前記複合材料の導電率Ｉ
ＡＣＳは６５％以上であることを特徴とする電極用アル
ミナ繊維強化銅複合材料。