JPS61108493A - 電極用アルミナ−シリカ繊維強化銅複合材料 - 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、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−シリカ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、従って導電性に優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
素の添加量を増大すると、導電性が低下し、通電性能の
低下や電極自身の発熱量の増大等の問題が生じ、逆に合
金元素の添加量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（に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１．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。

更に特開昭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！ｌ維との複合材料にて構成されたスポラ１
へ溶接機用電極棒が既に知られている。しかしかかる電
極棒に於ては、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得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
題に鑑み、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−
シリカｍ維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
を製造し得ることを見出した。

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優れ、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−シリカ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ｍ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−シリカ繊維を強化材とし、純度９９．５％以上
の純銅をマトリックスとし、Ｔｈｒ記アルミナ−シリカ
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。

光間の作用及び効果 アルミナ−シリカ繊維は炭素繊維等に比して強度、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１１つだ実験的研究の
結果によれば、アルミナ−シリカ繊維の体積率が非常に
小ざい場合には強度向上効果等の載面が十分には発揮さ
れないが、特に複合材料の耐摩耗性はアルミナ−シリカ
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−シリカ繊維の体積率は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−シリカ繊維の体積率
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−シリカ繊維の体積
率ができるだ【プ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−シリカ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−シリカ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−シリカ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ＩＩＭ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−シリカ繊維の体積率は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−シリカ繊維強化銅複合材料に於ては、アルミナ−シ
リカ１８Ｈの体積率は２．０〜２５％、特に５．０〜２
０％、更には８．０〜１５％であることが好ましい。

アルミナ−シリカ繊維は現在種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、アルミナーシリカ
繊維の繊維径が小さい場合には、繊維集合体より個々の
アルミナ−シリカ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−シリカ
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−シリカＬｔｉＩｆｔと銅粉末とを混合する場合に
アルミナ−シリカ繊維が破断し易く、加圧鋳造法の場合
にはアルミナ−シリカ繊維の体積率の小さい繊維成形体
を形成することが困難である。逆に繊維径が大さ′い場
合には、粉末冶金法に於てはアルミナ−シリカ繊維と銅
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−シリカ繊維とマト
リックス金属との間の密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困難
である。

またアルミナ−シリカ繊維の繊維長が短い場合には、ア
ルミナ−シリカ繊維が繊維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−シリカ繊維
と銅粉末とを混合する過程に於てアルミナ−シリカ繊維
同士が絡み合ってアルミナ−シリカ繊維の偏析が生じや
すく、加圧鋳造法に於ては均質な繊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−シリカ繊維の平均繊
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５〜１５０００、特に１０〜１５０
０１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−シリカ繊維にて複合強
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−シリカＩｌ
雑の大きさ及び体積率、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、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−
シリカ繊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−シリカ繊維強化銅複合材料の導電性
はその＠凍化、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０．９
０以上、特に０．９２以上、更には０．９３以上に設定
される。

また本発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、本願光明者等が行った実
験的研究の結果によれば、複合材料の導電率ＩＡＣＳ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ＩＡＣＳ
は６５％以上、特に６７％以上、更には７０％以上に設
定される。

更にブ［］−インク法などにて］ａされるアルミナ−シ
リカ繊維の集合体中にはその製法上人なり小なり非繊維
化粒子が含まれており、これらの非繊維化粒子はその硬
さＨｖ　（５０ｇ）が５８０以上であり、またその大き
さもアルミナ−シリカ繊゛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−
シリカ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１５０μ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−シリカ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舟は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ｍ紐化粒子の
含有附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−シリカ繊維を用意し、それら
のアルミナ−シリカ繊Ｎ１にて第１図に示されている如
きｌＩ２８０ｍｍ、横８０１、高さ２０１１１１Ｒの繊
維成形体２を形成した。この場合アルミナ−シリカ繊維
は８０ｘ８０ｍｍ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ｖＪ層された状態にて配向された
。同表１の試料２．３．４．５．６．８．９のアルミナ
−シリカ繊維はイソライト・パブコツク耐火株式会社製
の１カオウール」であり、試料７のアルミナ−シリカ繊
維はＪ　ｉｍ　−Ｗａｉｔｅｒ　−Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
社製のｒＰＭＦＪ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とノックアウトビン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’Ｃの純銅（純度９９．９％）の溶湯７を
注湯し、該溶湯を約１０００　ｋａ／　ａ”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−シリカ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
ｍｎ＋、呼び径ａ　＝−１６ｍｍ、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＝５１１１１１１．電極先端外周部の径方向断面の曲
率半径Ｒ−８ｍｌｌｌ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−シリカ繊維にてＦｊ、全強
化されたスボッ１へ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、８ｎＩＩ＋の冷間圧
延鋼板（ＪＩＳ規格５ＣＰ２８Ｃ）の被溶接材１０に対
し１０００打点のスポット溶接を？テい、１０００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に正常なナゲッｌ−を形成し１ｑ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−シリカ繊維１１及び純
銅（純度９９．９％）粉末１２をそれぞれアルミナ−シ
リカ繊維の体積率が所定の値になるよう秤覆し、それら
を第５図に示されている如’ｌ　Ｖ　ｉｌ’４　混粉（
幾１３を用いて、回転１１３　Ｏｒｐｍ　、Ｈ粉時間３
０分にて乾式混粉を行った。同表３のアルミナ−シリカ
繊維は全てイソライ１−・パブコック耐火株式会社製の
「カオウール」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
つつアッパバンチ１７とロアパンチ１８とにより加圧力
２００　ｋ（Ｊ、’ａｔ’、加圧時間１０分、雰囲気１
０−３丁ｏｒｒ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ｌ＝２３
ｍｍ、呼び径ａ−１６ｍｍ、被溶接材との当接面９ａの
直径ｄ＝６ｍｍ、電極先端外周部の径方向断面の曲率半
径Ｒ＝　８　ｍ１１１であり、全体に亙すアルミナーシ
リカ繊維にて複合強化された！ＫＡｔｌｉ！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、」−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構成材料として現在賞月さ
れているクロム銅（Ｃｕ　−０，６ｗｔ％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。

下記の族１〜表４より、特に試料２．３．５．６．８．
９より、アルミナ−シリカＩｎ雑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−シリカ
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−シリカ繊
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−シリカｔｓＨの体積率は
２．０％以上であることが好ましいことがわがる。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−
シリカｍｔａ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。

但しイソライト・バブコック耐火株式会社製のフルミナ
ーシリカ繊維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−シリカ繊維の平均ｍ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
１７との比較より、アスペクト比が１５０００を越える
と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−シリカ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０９０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、６５％以上であるこ
とが好ましい。

以−トの説明より、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−シリカ繊維
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１細に５２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、本発明の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 ｔ　′１ｔ４ ７で４

【図面の簡単な説明】

第１図はアルミナ−シリカ繊維にて形成された繊維成形
体を示す斜視図、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ップを用いて行われる
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−シリカ繊維、２・・・繊維成形体、
３・・・下型、４・・・上型、５・・・ノックアラ１−
ビン、６・・・高圧鋳造装置、７・・・溶湯、８・・・
先端部、９・・・電極チップ、９ａ・・・当接部、９ｂ
・・・冷却水通路、１０・・・被溶接材、１１・・・ア
ルミナ−シリカ繊維、１２・・・純銅粉末、１３・・・
Ｖ型混粉機、１／ｌ・・・ホットプレス装置、１５・・
・型、１６・・・ヒータ、１７・・・アッパパンチ、１
８・・・ロアパンチ 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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−シリカ繊維を強化材と
   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−シリカ繊維の体積率が２．０〜２５％であ
   る電極用アルミナ−シリカ繊維強化銅複合材料。
2. （２）特許請求の範囲第１項の電極用アルミナ−シリカ
   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−シ
   リカ繊維強化銅複合材料。
3. （３）特許請求の範囲第１項又は第２項の電極用アルミ
   ナ−シリカ繊維強化銅複合材料に於て、前記複合材料の
   導電率ＩＡＣＳは６５％以上であることを特徴とする電
   極用アルミナ−シリカ繊維強化銅複合材料。