JPS622627B2

JPS622627B2 -

Info

Publication number: JPS622627B2
Application number: JP57009731A
Authority: JP
Inventors: Hironori Fujita; Tooru Arai; Jiro Mizuno; Osami Kasuya; Koichi Oono; Toshio Suzuki
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1982-01-25
Filing date: 1982-01-25
Publication date: 1987-01-21
Also published as: CA1188549A; US4436560A; JPS58126946A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、電気接点材料及び摺動材料等に使用
される金属材料の表層部に硼化物を分散させた銅
合金の製造方法に関するものである。従来、電気接点材料として銀または銀合金が主
として対向式接点に、タフピツチ銅、黄銅などが
摺動式接点に使用されている。前者は貴金属であ
る銀を使用するため経済的に使用しにくい欠点が
ある。また後者は摩耗しやすいといつた欠点をも
つ。そこで、かかる欠点を改良するため、硼化物
の耐摩耗性、耐溶着性及び耐アーク性が大きいこ
とに注目し、硼化物粒子を銅母材に分散した複合
材料を得ることが研究されている。従来、硼化物と銅との複合材料を作るには、粉
末焼結法や溶解法が知られている。粉末焼結法
は、微細な硼化物粉末と銅粉末とを適量混合し適
当な温度及び適当なガス雰囲気中で焼結して、微
細硼化物分散銅を得る方法である。しかし、この方法は、硼化物を均一に分散させ
る技術が困難であり生産コストが高くつくという
欠点を有している。また溶解法は、銅と硼化物を
混合し、高温加熱によつて溶解し、冷却凝固して
硼化物分散銅合金を得る方法である。しかし、こ
の方法は、溶融した合金を凝固させる時に、硼化
物が晶出するため硼化物粒が粗大となり、鍛造に
よつても硼化物の微細化には自と限度があるとい
う欠点を有していた。さらには、両公知方法共
に、金属材料の表層部にのみ硼化物を分散させる
ことができないため電気伝導度が小さくなるとい
う欠点があつた。電気接点材料又は摺動材料等に
おいては、接点部又は摺動部の表層部のみ耐摩耗
性、耐溶着性及び耐アーク性を持たせれば十分で
あり、母材内部は目的に応じて任意の金属材料、
一般的には高導電性の銅材が用いられる。本発明はかかる従来の方法とはまつたく異な
り、硼化物の構成元素の金属と銅との合金を作
り、その合金の表面から硼素を浸透拡散し、合金
の表層部に硼化物の微粒子が分散した層を生成さ
せるものである。本発明は表層部にのみ硼化物の微粒子を均一に
分散することによつて、耐摩耗性、耐溶着性、耐
アーク性及び高導電性を示す電気接点材料又は摺
動材料を製造する方法を提供するものである。すなわち、本発明の硼化物分散銅合金の製造方
法は、少なくとも、表面より0.03〜0.1mm深さま
での表層部が、Al、As、Cd、Co、Cr、Fe、
Mg、Mo、Nb、Pt、Ta、Ｗ及びZrからなる群よ
り選ばれた１種又は２種以上の元素を合金あるい
は微細粒子として0.5〜40原子％（以下、特にこ
とわらないかぎり％は原子％を示す）含み、残部
が銅又は銅合金である金属材料を調製する第１工
程と、上記金属材料にボロンを浸透拡散させ、該
金属材料の表層部に、Al、As、Cd、Co、Cr、
Fe、Mg、Mo、Nb、Pt、Ta、Ｗ及びZrからなる
群より選ばれた１種又は２種以上の元素の硼化物
よりなる微細な粒子を均一に分散形成する第２工
程とよりなることを特徴とするものである。本発明の製造方法により、表層部のみに粒径が
0.1〜10ミクロンの硼化物が銅あるいは銅合金中
に分散した構造をもつ硼化物分散銅合金が得られ
る。この硼化物分散銅合金は、金属を母材とし、か
つ、表層部のマトリツクス部が銅あるいは銅合金
であるため導電性、および熱伝導性がすぐれてい
る。さらに、表層部に微細な硼化物粒子が分散し
て存在するため、該金属材料で構成された接点部
又は摺動部は、アーク損傷及び溶着が起り難くし
かも耐摩耗性に優れている。本発明の製造方法に用いられる金属材料におい
て、少なくとも、表面より0.03〜0.1mm深さまで
の表層部がAl、As、Cd、Co、Cr、Fe、Mg、
Mo、Nb、Pt、Ta、Ｗ及びZrからなる群より選ば
れた１種又は２種以上の元素を0.5〜40原子％含
み、残部が銅又は銅合金である金属材料であると
して表層部の金属組成を規定したのは、表層部の
みに硼化物を形成させるためであり、金属材料の
他の部分は硼化物形成に直接関与しないためであ
る。したがつて金属材料の他の部分は、使用目的
等に応じて任意の金属のものを使用することがで
きる。表層部を形成する金属をAl、As、Cd、Co、
Cr、Fe、Mg、Mo、Nb、Pt、Ta、Ｗ及びZrから
なる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を
0.5〜40％含み、残部が銅又は銅合金であるとし
たのは、上記Al、As、Cd、Co等は、いずれも銅
又は銅合金中に固溶あるいは分散し、かつ金属材
料の表面から拡散浸透してきたボロン（Ｂ）と結
合し、硼化物の微細な粒子を分散形成することが
できるためである。又、その他の理由として上記
添加元素の硼化物は、比較的硬度が高く、固有抵
抗が低く、融点が高く、このため電気接点材料又
は摺動材料として優れた特性を有することが挙げ
られる。第１表に硼化物の物理的特性を従来の接
点材料と比較して挙げた。これによると上記硼化
物はいずれも固有抵抗が、20〜100×10^-6Ωcmで
あり、溶融点1270〜3040℃硬度1500〜3000Hvと
従来タイプの接点材に比較し溶融、硬度の点で優
れている。また表層部にのみ硼化物分散層を形成するた
め、接点材の全体の抵抗値を低く押えることがで
きる。なお、硼化物形成元素のうち特定のものは
銅にわずかしか固溶しない。しかし銅中に微細粒
子として共存させれば、硼化物形成に必要な元素
が確保でき、充分な量の硼化物が形成できる。硼化物形成元素の添加量を0.5〜40％としたの
は、0.5％より少ないと、形成される硼化物の量
が少ないため、目的とする硼化物特有の効果が得
られないためであり、40％より多くなると、

【表】形成される硼化物の量が多くなり、本発明で目的
とする硼化物と銅との混合形態が悪くなり導電性
及び熱伝導性が低下すると共に被覆層のクラツク
や剥離が生じやすくなるためである。硼化物を分散させる表層部を0.03〜0.1mmとし
たのは、硼化物が接点材料として接点表面部に要
求される耐摩耗性、耐溶着性、耐アーク性の諸効
果を発揮できる様にし、かつ表層下の母材内部で
は、高導電性、高熱伝導性、高強度性等の要求を
具備するようにするためである。即ち銅母材の内
部全体に硼化物を分散させることは、必ずしも上
記の内部母材に要求される高導電性又は高熱伝導
性、高強度性を得るには得策ではない。この様な
目的には、上記表層部にのみ硼化物を分散させ、
表層部以下の内部は、要求される特性に応じて、
銅の純度を向上したり、強化元素を添加したりす
るのが好ましい。なお、表層部の銅合金材料の組成によつては、
ボロンの浸透拡散により微細な硼化物粒子が分散
した層が形成されず、不均一な硼化物層が形成さ
れる場合がある。このような場合には銅合金中の
硼化物形成金属元素の組成を少なくしたり、銅母
材中に他の元素を添加して硼化物の分散を図るの
が好ましい。例えば硼化物としてコバルトボライ
ドを生成分散させるには金属材料の表層部の組成
はコバルト0.5〜40％残部銅としたコバルト銅合
金が好ましい。しかし、コバルトの組成が多くな
るとコバルトボライド粒子が大きくなるし結晶粒
界にそつて偏析しやすくなる。かかる場合に、コ
バルト銅合金中にマンガン、チタン、シリコン、
クロムの１種または２種以上を配合するとコバル
トボライドの微細粒子化が可能となり、かつコバ
ルトボライドの偏析が防止できる。配合量は0.1
〜３％程度が好ましい。金属材料は表層部を含め全体を所定の銅合金と
することができる。この場合には目的とする組成
の金属を混合溶解し、合金とするものである。表層部のみを所定の銅合金とする表層部を調製
する代表的な方法としては、母材を銅とし、その
表面にCo、Al、As、Cd等を被覆し、さらに被覆
されたCo等の金属を加熱処理により銅中に拡散
させ、表層部のみを所定の銅合金とするものであ
る。銅の表面にCo等を被覆する方法としては、
電気メツキ、化学メツキ、真空蒸着、スパツタリ
ング、溶射等公知の方法が採用できる。Co等の
母材中への拡散は高温における金属元素の熱拡散
現象を利用して達成する。マンガン、チタン、シ
リコン、クロム等の硼化物微細化のための金属は
母材である銅中にあらかじめ配合しておいてもよ
い。また、Co等を被覆する時に同時にマンガン
等を導入し、拡散させてもよい。金属材料の形状は板状、棒状、綿状等、使用目
的に応じて任意の形状とすることができる。金属材料の表面に硼素を浸透、拡散させ、表層
部にボライドの微細粒子が分散した層を形成させ
る工程は、通常公知の浸硼素処理法により達成さ
れる。代表的な浸硼素処理法としては硼素を溶解
した溶融塩浴に金属材料を浸漬して処理する溶融
塩法、炭化硼素等の粉末とフツ化ホウ素、塩化ア
ンモン等の粉末の混合粉末中に金属材料を埋設
し、加熱処理をおこなう粉末法、真空中で硼素を
蒸着させる等の物理的蒸着法が利用できる。金属
材料中に浸透した硼素は銅合金中のCo等と化合
し、硼化物を形成する。得られる硼化物は、
AlB₂、AlB₁₀、AsB、AsB₆、CdB₆、Co₂B、
CoB、CrB、CrB₂、FeB、Fe₂B、MgB₂、MgB₄、
MOB₂、Mo₂B、NbB、NbB₂、PtB、Pt₂B₃、
TaB、TaB₂、W₂B₅、ZrB₂等のうち１種又は２種
以上の混合物である。これらの方法により、銅あるいは銅合金中に硼
化物粒子が分散した層が形成される。硼化物粒子
の大きさは小さければ小さい程よい。本発明の方
法では0.1〜10ミクロン程度の粒径をもつ硼化物
が得られる。なお、表層部に占める硼化物粒子の
割合は容量％で５〜80％が望ましい。表層部の層
の厚さは0.03〜0.1mmが良い。なお、厚い層を得
るには、硼素の浸透拡散処理時間を長くしたり、
処理温度を高くすることにより達成できる。本発明に係る製造方法は以上の構成よりなる。本発明製造方法によれば、金属材料の表層部に
のみ硼化物を微細かつ均一に分散させることが容
易にできる。硼化物は、従来の接点材料に比べて
硬度が高く溶融温度及び分解温度が高く化学的に
も安定している。このため本発明方法によつて表
層部にのみ硼化物を分散させて製造した金属材料
は、耐摩耗性、耐溶着性及び耐アーク性に優れた
表層部を有することになり、該表層部を接点部材
とする特性の優れた電気接点材料及び電気摺動材
料として使用することができる。又本発明によれ
ば硼化物は、比較的高い導電性を有し、しかも表
層部のみに微細に分散せしめているため電気接点
材料として十分な高導電性を得ることができる。
更に本発明製造方法によれば硼化物分散銅合金の
母材内部の組成をほぼ任意に構成できるため、曲
げ、打抜き、コイニング等の加工が容易になる、
又熱伝導性を高くする様に母材内部の組成を選択
することができる。以下実施例により説明する。実施例１ Cu95重量部とCr5重量部を溶解し、Cu94.0原
子％Cr6.0原子％よりなるクロム銅合金を得た。
これを鍛造した後直径6.4φ長さ24mmの円柱状試
料を作成した。次にこの試料を硼砂60重量部、炭
化硼素（B₄C）粉末（粒径79〜149μｍ）40重量
部よりなる950℃の溶融塩浴中に４時間浸漬保持
し、その後浴より取り出し硼化物分散銅合金を製
造した。得られた試料の一部を切断し、その切断面を顕
微鏡で調べた。この顕微鏡写真を第１図に示す。
図中領域１は硼化物の分散層、領域２はクロム銅
合金よりなる母材を表わす。この結果、表面より
約40μｍの深さまで粒径0.1〜１μｍの硼化物が
微細に均一に分散していることが分る。また硼化
物の表層部に占める割合は６体積％であつた。こ
の硼化物はＸ線回折の結果CrBであつた。なお、母材内部に粗大粒で分散している物質
は、銅中の未固溶のCrである。実施例２実施例１と同様の組成比を持つクロム銅合金を
同一過程によつて同一形状に作成した後、該合金
をフエロボロン（ボロン20重量％含有）粉末（粒
径約60〜149μｍ）90重量部、フツ化硼素酸カリ
（KBF₄）粉末（粒径約90μｍ）10重量部よりなる
混合粉末中に埋込み、950℃で４時間加熱して試
料を作成した。この試料について実施例１と同様
に組織と形成物を調べた結果CrBが微細にかつ均
一に表面層に分散しているのが分つた。実施例３ Cu95重量部とCo5重量部を溶解し、Cu94.6原
子％Co5.4原子％よりなるコバルト銅合金を得
た。その後実施例１と同様の過程によつて850℃
の溶融塩浴中に４時間浸漬保持し、硼化物分散銅
合金を得た。第２図に本試料の断面顕微鏡写真を
示す。同写真によれば、約40μｍの深さまで粒径
0.5〜２μｍのCoB粒子が微細に分散した層が形
成されていることが分る。また硼化物の表層部に
占める割合は６体積％であつた。尚、母材内部には、未固溶のCoが存在してい
た。実施例４ Cu97重量部とZr3重量部を溶解し、Cu97.9原子
％Zr2.1原子％よりなるジルコニウム銅合金を得
た。その後の処理は、実施例３と同様に行つた。
この試料の断面積顕微鏡写真を第３図に示す。同
写真によれば、約35μｍの深さまで粒径0.5〜２
μｍのZrB₂粒子が微細に分散した層が形成され
ているのが分る。また硼化物の表層部に占める割
合は４体積％であつた。尚、母材内部には、未固溶のCu₃Zrが存在して
いた。実施例５純銅に約５μｍ厚さにCoを電気メツキした
後、不活性雰囲気中において、1020℃で８時間加
熱し、CoをCu中に固溶させた後、実施例３と同
様の方法でボロン（Ｂ）を浸透拡散させ、硼化物
分散銅合金を得た。この試料に形成された分散層
は、ほぼ実施例３と同様である。約35μｍの深さ
までCoBが微細かつ均一に分散した層が形成され
た。尚銅母材内部には、上記の実施例と異なり未
固溶のCoは、ほとんど存在していなかつた。次にこれら試料の電気接点材料としての性能を
調べるため対向式接点特性試験と摺動式接点特性
試験を実施した。対向式接点特性試験はASTM規格のASTM式
対向式試験機を用い、直流電圧12±0.1V、電流
10A、ランプ負荷130W、接触荷重300ｇ、解離荷
重300ｇ、繰り返し速度60回／分、試験片形状直
径6.4mm高さ2.4mm同種材料の組合せとし、25万回
のON、OFFを行なつた。その結果を第２表に示
す。25万回の試験中、溶着、焼付、その他の異常
はみられなかつた。

【表】比較例として従来公知の接点材料について対向
式接点特性実験を行つた結果を第２表に示す。こ
こで比較例101はAg、比較例102はAg―10wt％
Cu合金、比較例103はCu―10wt％Ni合金、比較
例104はタフピツチ銅そして比較例105は青銅のそ
れぞれ接点材料である。これらの従来の接点材料
に比較して、本発明方法によつて製造された接点
材料は溶着、材料の移転等の不都合がみられず良
好なものであつた。摺動式接点特性試験は特別に試験機を作り、こ
れを用いて行なつた。この試験機は60rpmで回転
する銅板の中心より12.5mmの部分に半球形状の試
片を押付ける方式のものである。試験条件は直流電圧12±0.1V、電流10A、接触
荷重300ｇ、すべり速度78.5mm／秒、全摺動距離
62000ｍ、潤滑油なしとした。試験片は50×50×
１mmの板材の中央部に半径５mmの半球を突出した
加工を行ない、この球面を摺動面とした。相手材
としては50×50×１mmのタフピツチ銅板材を用い
た。試験結果を第２表に示す。第２表より明らか
なように接触抵抗が0.6〜1.2ｍΩと小さく、かつ
消耗量もほとんどない程度の良好なものであつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図はCu―5wt％Cr合金を母材とする硼化
物分散銅合金の厚さ方向切断面の組成を表す顕微
鏡写真、第２図はCu―5wt％Co合金を母材とす
る硼化物分散銅合金の厚さ方向切断面の組成を表
す顕微鏡写真、第３図はCu―3wt％Zr合金を母材
とする硼化物分散銅合金の厚さ方向切断面の組成
を表す顕微鏡写真である。図中１は分散層、２は
母材領域を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１少なくとも、表面より0.03〜0.1mm深さまで
の表層部が、アルミニウム（Al）、砒素（As）、
カドミウム（Cd）、コバルト（Co）、クロム
（Cr）、鉄（Fe）、マグネシウム（Mg）、モリブデ
ン（Mo）、ニオブ（Nb）、白金（Pt）、タンタル
（Ta）、タングステン（Ｗ）及びジルコニウム
（Zr）からなる群より選ばれた１種又は２種以上
の元素を合金あるいは微細粒子として0.5〜40原
子％含み、残部が銅又は銅合金である金属材料を
調製する第１工程と、上記金属材料にボロンを浸透拡散させ、該金属
材料の表層部に、Al、As、Cd、Co、Cr、Fe、
Mg、Mo、Nb、Pt、Ta、Ｗ及びZrからなる群よ
り選ばれた１種又は２種以上の元素の硼化物より
なる微細な粒子を形成する第２工程とよりなるこ
とを特徴とする硼化物分散銅合金の製造方法。２銅又は銅合金の表面に、Al、As、Cd、Co、
Cr、Fe、Mg、Mo、Nb、Pt、Ta、Ｗ及びZrから
なる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を被
覆し、その後加熱処理を施し被覆した金属を表層
部に拡散させることにより上記第１工程の金属材
料を調製することを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の製造方法。