明 細 書 高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅金属及びナノ結晶銅合金の粉末、 高硬度 ·高強度で 高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金のバルク材並びにそれらの製造方法 Description Powder of nanocrystalline copper metal and nanocrystalline copper alloy having high hardness and high conductivity, high hardness, high strength and high strength, bulk material of nanocrystalline copper or copper alloy having high conductivity, and methods for producing them
技術分野 Technical field
本発明は、 高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅金属及びナノ結晶銅合金の粉末、 高硬 度■高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅 ^は銅合金のバルク材並びにそれらの製 造方法に関し、 高力導電性銅又は銅合金組成のナノサイズの金属間化合物の析出,分散強 化型ナノ結晶銅合金等の粉末とバルク材及びそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a powder of a nanocrystalline copper metal and a nanocrystalline copper alloy having high hardness and high conductivity, a high hardness and a strong nanocrystalline copper having high strength and high conductivity ^ are copper alloy bulk materials and The present invention relates to a method for producing powders and bulk materials such as a nano-sized copper alloy having a high strength conductive copper or a copper alloy composition and a nano-sized intermetallic compound having a high strength conductive copper or copper alloy composition, and a method for producing the same.
背景技術 Background art
金属材料の強さや硬さは、 ホールべツチの関係式が示すように、 結晶粒径 dが小さくな るほど増加し、 このような関係は dが数十 n m付近までは同じように成立するので、 結晶 粒径をナノサイズレベルまで超微細化することは、 金属材料の強化する最も重要な手段の 1つになっている。 このことは、 銅系合金の材料の強化方法として極めて重要である。 銅 合金においては、 こうして得られた微細結晶組織の中に金属間化合物などの硬い物質を析 出ないし分散させると、 その強度特性はさらに大きく向上させることができる。 The strength and hardness of the metal material increase as the crystal grain size d decreases, as shown by the Hallbeck relation, and this relationship holds true until d is around several tens of nm. Therefore, ultra-fine crystal grain size down to the nanometer level is one of the most important ways to strengthen metallic materials. This is extremely important as a method of strengthening copper alloy materials. In a copper alloy, if hard substances such as intermetallic compounds are precipitated or dispersed in the microcrystalline structure thus obtained, the strength characteristics can be further improved.
しかし、 実用材料として極めて重要な高力導電性銅合金系の材料については、 ナノ結晶 化のための研究は未だなされていない。 とくに、 電気通信機器類に導電性高力ばね材料と して多く用いられているベリリウ厶銅などでは、 ナノサイズレベルまでの結晶粒微細化に よって、 その強度が格段に高められると、 電気電 機器類の軽量化、 小型化を可能にし、 その実用上の意義は極めて大きい。 However, research on nano-crystallization of high-strength conductive copper alloy materials, which are extremely important as practical materials, has not yet been made. In particular, in the case of beryllium copper, which is widely used as a conductive high-strength spring material in telecommunications equipment, if the strength is significantly increased by refining the crystal grains to the nanometer level, the electric This makes it possible to reduce the weight and size of equipment, and its practical significance is extremely large.
発明の開示 Disclosure of the invention
発明が解決しようとする課題 Problems to be solved by the invention
しかし、溶解法で製造されている銅合金をはじめとする多くの金属材料の結晶粒径 dは、 通常数ミク口ン〜数百ミク口ンであり、 後処理によつても dをナノオーダにすることは難 しく、 例えば、 鋼の結晶粒径微細ィ匕プロセスとして重要な制御圧延の場合でも、 その到達 できる粒径の下限は 4〜5 /x m程度である。 従って、 このような通常の方法では、 ナノサ ィズまでに粒径を微細化した材料は得られない。
課題を解決するための手段 However, the crystal grain size d of many metal materials, including copper alloys manufactured by the melting method, is usually several micron to several hundred micron, and d is in the nano order even by post-processing. For example, even in the case of controlled rolling, which is important as a process for reducing the grain size of steel, the lower limit of the grain size that can be reached is about 4 to 5 / xm. Therefore, such a conventional method does not provide a material having a fine particle size down to a nanosize. Means for solving the problem
本発明は上記課題を解決するものであって、 下記の I 月である。 The present invention solves the above problems, and is the following month.
本発明は、 基本的には、 (1 ) 銅合金構成成分の各物質の混合材料、 (2 ) 溶製した銅合 金材料、 又は (3 ) ( 1 ) 及び (2 ) の物質に他の元素又はその合金などの物質を加えた 混合材料、 をボールミルなどを用いたメカニカルァロイング (M A) 又はメカニカルミリ ング (M M) 処理して、 その結晶粒径のナノサイズレベルまでの超微細化と超高硬度のナ ノサイズの金属間化合物などの析出 ·分散によって達成できるその限界に近い強さ (高強 度) ないし、 硬さ (超硬質) 及び靱性を有する銅合金のナノ結晶粉末となし、 次いでこの ナノ結晶銅合金の粉末の熱間での固化成形によって、 同粉末の有する特性を保持したナノ 結晶銅合金バルク材を提供することである。 すなわち、 本発明は、 下記構成の高硬度 ·高強度で強靱なナノ結晶銅合金の粉末材料と バルク材料及び両材料の製造方法である。 The present invention basically relates to (1) a mixed material of each of the components of the copper alloy, (2) a wrought copper alloy material, or (3) a material of (1) and (2). A mixture of materials containing elements or their alloys is processed by mechanical milling (MA) or mechanical milling (MM) using a ball mill or the like to make the crystal grain size ultra-fine to the nano-size level. Nanocrystalline powder of copper alloy with strength (high strength) close to its limit, which can be achieved by precipitation and dispersion of ultra-hard nanosized intermetallic compounds, etc. Next, the object of the present invention is to provide a bulk material of the nanocrystalline copper alloy which retains the properties of the powder by hot solidifying and molding the powder of the nanocrystalline copper alloy. That is, the present invention is a powder material and a bulk material of a nanocrystalline copper alloy having high hardness, high strength and toughness having the following constitution, and a method for producing both materials.
〔1〕 銅金属ナノ結晶粒子の集合体よりなる銅金属粉末が、 2〜1 0 0 0 n mサイズのナ ノ結晶から構成されることを特徴とする高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅金属粉末。 [1] Nanocrystalline copper having high hardness and high conductivity, characterized in that copper metal powder composed of an aggregate of copper metal nanocrystal particles is composed of nanocrystals having a size of 2 to 100 nm. Metal powder.
〔2〕 銅合金ナノ結晶粒子の集合体よりなる銅合金粉末であって、 その合金元素がベリリ ゥ厶、 クロム、 ジルコニウム、 チタン、 銀、 コバルト、 ニッケル、 亜鉛、鉄、 カドミウム、 マンガン、 アルミニウム、 モリプデン、 バナジウム、 タングステン、 ニオブ、 タンタル、 リン、 ケィ素又はホウ素から選ばれるいずれか 1つ以上からなり、 これらの合金元素が 1 つの場合には、 その濃度が銅合金粉末の 0 . 0 5〜4 0質量%を含有し、 また合金元素が 2つ以上の場合には、 その合計濃度が 0 . 0 5〜4 5質量%含有して、 前記ナノ結晶銅合 金粉末がこれらの合金元素による固溶強化と 2〜1 0 0 0 n mサイズレベルまでの結晶粒 微細化強化されてなることを特徴とする高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅合金粉末。[2] A copper alloy powder comprising an aggregate of copper alloy nanocrystal particles, the alloy element of which is beryllium, chromium, zirconium, titanium, silver, cobalt, nickel, zinc, iron, cadmium, manganese, aluminum, It is composed of at least one selected from molybdenum, vanadium, tungsten, niobium, tantalum, phosphorus, silicon, and boron. 40% by mass, and when there are two or more alloying elements, the total concentration is 0.05 to 45% by mass, and the nanocrystalline copper alloy powder is made of these alloying elements. A nanocrystalline copper alloy powder having high hardness and high conductivity characterized by solid solution strengthening and crystal grain strengthening to a size of 2 to 100 nm.
〔3〕 銅合金ナノ結晶粒子の集合体よりなる銅合金粉末が、 析出 ·分散強化物質及び Z又 は結晶粒成長抑制物質として、 (1 ) 前記請求項 2に記載の合金元素から選ばれるいずれ か 1種以上、 又は (2 ) 前記各元素と銅からから構成される金属管化合物のいずれか 1種 以上を存在させてなることを特徴とする高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅合金粉末。[3] A copper alloy powder comprising an aggregate of copper alloy nanocrystal particles, as a precipitation / dispersion strengthening substance and a Z or crystal grain growth inhibiting substance, (1) any one selected from the alloy elements according to claim 2. Or more, or (2) a nanocrystalline copper alloy having high hardness and high conductivity, characterized by being present in the presence of at least one kind of a metal tube compound composed of each of the above elements and copper. Powder.
〔4〕 銅又は銅合金ナノ結晶の集合体よりなる銅又は銅合金粉末が、 銅又は銅合金中の固 溶不純物による導電率低下を抑制する物質として、 亜鉛、 カドミウム、 ケィ素、 リン又は 酸素のいずれか 1種以上を存在させてなることを特徴とする前項 〔1〕 〜 〔3〕 のいずれ か 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅又は銅合金粉末。 [4] Copper or copper alloy powder composed of aggregates of copper or copper alloy nanocrystals is a substance that suppresses the decrease in conductivity due to solid-solution impurities in copper or copper alloy; zinc, cadmium, silicon, phosphorus, or oxygen. The nanocrystalline copper or copper alloy powder having high hardness and high electrical conductivity according to any one of the above items [1] to [3], characterized in that at least one of the above is present.
〔5〕 銅又は銅合金ナノ結晶の集合体よリなる銅又は銅合金粉末が、 金属又は半金属の酸 化物の形態で酸素を 0 . 0 0 5〜1 . 0質量%含有するものであることを特徴とする前項 〔1〕 〜 〔4〕 のいずれか 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅又は銅合金
粉末 o [5] A copper or copper alloy powder composed of an aggregate of copper or copper alloy nanocrystals contains oxygen in the form of a metal or metalloid oxide in an amount of 0.05 to 1.0% by mass. The nanocrystalline copper or copper alloy having high hardness and high conductivity according to any one of the preceding items [1] to [4], characterized in that: Powder o
〔6〕 銅金属ナノ結晶粒子が、 塊状、 片状、 粒状、 粉状の銅金属材料を、 ポールミル等を 用いてメカニカルミリング (MM) することによって得られたものであることを特徴とす る前項 Π〕、 〔4〕、 〔5〕 のいずれか 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅 金) h粉末。 [6] The copper metal nanocrystal particles are characterized by being obtained by subjecting a lump, flake, granular, or powdered copper metal material to mechanical milling (MM) using a pole mill or the like. The nanocrystalline copper gold) h powder having high hardness and high conductivity according to any one of [1], [4] and [5] above.
〔7〕 銅合金ナノ結晶粒子が、 塊状、 片状、 粒状、 粉状の銅合金の形成成分の各物質の混 合材料を、 ボールミル等を用いてメカ二カノレア口イング (MA) 又はメカニカルミリング [7] The copper alloy nanocrystal particles are formed into a block, flake, granule, or powdered copper alloy.
(MM) することによって得られたものであることを特徴とする前項 〔2〕 〜 〔5〕 のい ずれか 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅合金粉末。 The nanocrystalline copper alloy powder having high hardness and high electrical conductivity according to any one of the above items [2] to [5], which is obtained by performing (MM).
〔8〕 銅合金ナノ結晶粒子が、 塊状、 片状、 粒状、 粉状の銅、 ベリリウム銅、 クロム銅、 ジルコニウム銅、 銀銅、 チタン銅、 ケィ素青銅、 ケルメット合金、 黄銅、 アルミニウム青 銅、 ニッケル銅、 ニッケル青銅、 コルソン合金、 銅マンガン合金、 リン青銅、 洋白、 キュ プロニッケル、 他の合金元素又は合金のいずれか 1つ又は 2つ以上の物質から選ばれた銅 合金の構成物質を、 ボールミル等を用いてメカニカルミリング (MM) 又はメカニカルァ 口イング(M A)することによって得られたものであることを特徴とする前項〔2〕 ~〔5〕 のいずれか 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅合金粉末。 [8] The copper alloy nanocrystal particles are in a lump, flake, granular, powdery copper, beryllium copper, chromium copper, zirconium copper, silver copper, titanium copper, silicon bronze, kelmet alloy, brass, aluminum bronze, Nickel copper, nickel bronze, Corson alloy, copper manganese alloy, phosphor bronze, nickel silver, cupronickel, other alloying elements or alloys One or more copper alloy components selected from two or more , Obtained by mechanical milling (MM) or mechanical grooving (MA) using a ball mill or the like, characterized in that the height is as described in any one of the above items [2] to [5]. Nanocrystalline copper alloy powder with high hardness and high conductivity.
〔9〕 メカニカルァロイング (MA) 又はメカニカルミリング (MM) 過程において、 ポ —ルミルなどに用いる粉砕媒体と原料粉末との質量比及び/又はボールミル等の運転エネ ルギ一の選定などにより投入する機械エネルギーを調整することによって、 ナノ結晶粒子 の集合体における (1 ) ナノ結晶銅又は銅合金や銅と他元素とから構成される第 2相など の他の物質の結晶粒径、 (2) これらの第 2相などの他の物質の生成、 又は (3) その生 成量の (1 ) 〜 (3) から選ばれる "1つ以上を制御してなることを特徴とする前項 〔1〕 〜 〔8〕 のいずれか 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅合金粉末。 [9] In the mechanical arranging (MA) or mechanical milling (MM) process, input by selecting the mass ratio of the crushing medium and raw material powder used for the pole mill and / or the operating energy of the ball mill etc. By adjusting the mechanical energy, (1) the crystal grain size of other substances such as nanocrystalline copper or copper alloy or the second phase composed of copper and other elements in the aggregate of nanocrystalline particles, (2) (1) the generation of other substances such as the second phase, or (3) the amount of the generation is controlled by at least one selected from (1) to (3). A nanocrystalline copper alloy powder having high hardness and high electrical conductivity according to any one of the above items [8] to [8].
Π 0〕 銅又は銅合金ナノ結晶粒子の集合体よりなる銅合金粉末が、 メカニカルァロイン グ (MA)又はメカニカルミリング(MM) によって得られるナノ結晶粒子集合体(粉体) 間の固化成形過程での原子的結合促進物質として、 チタン、 ジルコニウム又はバナジウム を 0. 01〜5. 0質量%含有させてなることを特徴とする前項 〔1〕 〜 〔9〕 のいずれ か 1項に記載の高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅又は銅合金粉末。 Π 0] The solidification molding process between nanocrystalline particle aggregates (powder) obtained by mechanical alloying (MA) or mechanical milling (MM) when copper alloy powder consisting of aggregates of copper or copper alloy nanocrystalline particles is obtained Wherein titanium, zirconium or vanadium is contained in an amount of 0.01 to 5.0% by mass as an atomic bond promoting substance in the method described in any one of the above items [1] to [9]. Nanocrystalline copper or copper alloy powder with high conductivity and hardness.
Π 1〕 前項 〔〗〕 〜 〔〗 0〕 のいずれか〗項に記載のナノ結晶銅又は銅合金粉末の多数 個が固結されてなることを特徴とする高硬度 ·高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶 銅又 銅合金バルク材。 Π 1) High hardness characterized by a large number of nanocrystalline copper or copper alloy powders according to any one of the above items [〗] to [〗 0] being consolidated · High strength and high conductivity A tough nanocrystalline copper or copper alloy bulk material with
〔1 2〕 前項 〔1〕 〜 U 0〕 のいずれか 1項に記載の銅又は銅合金ナノ結晶粒子の粉末 を 250〜 700°Cの温度での放電プラズマ焼結 (S p a r k P l a sma S i n t e r i n g)、 ホッ卜プレス、 シース圧延 (S h e a t h R o I I i n g)、 熱間鍛造、 押出し成形、. 熱間等方圧加圧成形 (H I P) 等の真空熱間固化成形又は爆発成形等の固化
成形することにより、 ナノ結晶銅又は銅合金バルク材となすことを特徴とする高硬度■高 強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金バルク材の製造方法。 [12] Spark plasma sintering of the powder of the copper or copper alloy nanocrystal particles according to any one of [1] to U0] at a temperature of 250 to 700 ° C (Spark Plasma S intering), hot pressing, sheath rolling (S heath Ro IIing), hot forging, extrusion, hot isostatic pressing (HIP), etc., or vacuum hot solidification or solidification such as explosion molding. A method for producing a tough nanocrystalline copper or copper alloy bulk material having high hardness, high strength and high conductivity, which is formed into a nanocrystalline copper or copper alloy bulk material by molding.
〔1 3〕 前項 〔2〕 ~ 〔1 0〕 のいずれか 1項に記載の銅合金ナノ結晶粒子の粉末を 2 5 0〜7 0 0 °Cの温度での放電プラズマ焼結、 ホットプレス、 押出し成形、 熱間鍛造、 熱間 等方圧加圧成形、 圧延等の真空熱間固化成形又は爆発成形などで固化成形して、 ナノ結晶 銅合金バルク材となした後、 同バルク材を 1 0 0〜6 0 0 °Cの温度にて焼なましすること (13) The powder of the copper alloy nanocrystal particles according to any one of the above (2) to (10), spark plasma sintering at a temperature of 250 to 700 ° C, hot pressing, Extrusion molding, hot forging, hot isostatic pressing, rolling and other vacuum hot solidification molding, or solidification molding by explosion molding to form a nanocrystalline copper alloy bulk material. Annealing at a temperature of 0 to 600 ° C
(熱エネルギーの投入) により、 銅と前項 〔2〕 に記載の元素からなる金属間化合物など の物質を析出 ·分散させてなることを特徴とする高硬度 ·高強度で高導電性を有する強靱 なナノ結晶銅合金バルク材の製造方法。 (Hard heat input) to precipitate and disperse copper and other intermetallic compounds consisting of the elements described in [2] above. High hardness · High strength and high toughness with high conductivity Of bulk nanocrystalline copper alloy bulk material.
Π 4〕 メカニカルミリング又はメカニカルァロイングを施す雰囲気が、 (1 ) アルゴン ガスなどの不活性ガス、 (2 ) N2ガス、 又は (3 ) N H 3ガスから選ばれるいずれか 1種、 又は (4 ) ( 1 ) 〜 (3 ) から選ばれる 2種以上の混合ガスの雰囲気であることを特徴と する前項 Π 2〕 又は 〔1 3〕 に記載の高硬度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は 銅合金バルク材の製造方法。 [4] The atmosphere in which the mechanical milling or mechanical alloying is performed is any one selected from (1) an inert gas such as an argon gas, (2) an N 2 gas, or (3) an NH 3 gas, or ( 4) The tough nano-structure having high hardness and high conductivity according to the above item [2] or [13], characterized in that the atmosphere is a mixed gas atmosphere of two or more types selected from (1) to (3). Manufacturing method of crystalline copper or copper alloy bulk material.
〔1 5〕 メカニカルミリング又はメカニカルァロイングを施す雰囲気が、 若干の H 2ガス などの還元性物質を加えたガスの雰囲気であることを特徴とする前項〔1 2〕又は〔1 3〕 に記載の高硬度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金バルク材の製造方法。〔 1 6〕 メカニカルミリング又はメカニカルァロイングを施す雰囲気が、 真空又は真空中に若 干の H2ガスなどの還元性物質を加えた真空又は還元雰囲気であることを特徴とする 前項 Π 2〕 又は 〔1 3〕 に記載の高硬度,高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅 又は銅合金バルク材の製造方法。 [15] The above item [12] or [13], wherein the atmosphere in which the mechanical milling or mechanical alloying is performed is a gas atmosphere to which a reducing substance such as a slight amount of H 2 gas is added. A method for producing a tough nanocrystalline copper or copper alloy bulk material having high hardness and high conductivity as described above. [16] The atmosphere in which the mechanical milling or mechanical alloying is performed is a vacuum or a reduced atmosphere in which a reducing substance such as a slight amount of H 2 gas is added in a vacuum or vacuum. Or the method for producing a tough nanocrystalline copper or copper alloy bulk material having high hardness, high strength and high conductivity according to [13].
〔1 7〕 ナノ結晶銅又は銅合金粉末の熱間固化成形温度への急速加熱及び Z又は同熱間固 化成形温度保持のため、 マイクロ波による加熱方式又は低周波誘導加熱方式を用いること を特徴とする高硬度 ·高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金バルク材の 製造方法。 [17] Use of a microwave heating method or a low-frequency induction heating method for rapid heating of nanocrystalline copper or copper alloy powder to the hot solidification molding temperature and for maintaining Z or the same hot solidification molding temperature. Features High hardness · A method for manufacturing tough nanocrystalline copper or copper alloy bulk materials with high strength and high conductivity.
〔1 8〕 ナノ結晶銅又は銅合金粉末の迅速な熱間固化成形処理を行うため、 同粉末をマイ ク口波加熱加圧焼結又は低周波誘導加熱加圧焼結することによつて、 ナノ結晶銅又は銅合 金バルク材となすことを特徴とする高硬度■高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅 又は銅合金バルク材の製造方法。 [18] In order to perform rapid hot-solidification molding of nanocrystalline copper or copper alloy powder, the powder is subjected to microwave heating and pressure sintering or low frequency induction heating and pressure sintering. A method for producing a tough nanocrystalline copper or copper alloy bulk material having high hardness, high strength, and high conductivity, characterized in that the material is a nanocrystalline copper or copper alloy bulk material.
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
. 通常、 銅合金系材料では、 同材料の構成成分である合金元素がミクロンサイズの金属間 化合物として存在しているが、 このような高力導電性銅合金材料にメカニカルァロイング 法を用いると、 ナノサイズの粒状ないし球 ¾ ^に近い金属間化合物のような物質が銅の母相
(ナノ結晶相) に析出 ·分散した極めて強靱な粉末が得られるため、 これを固化成形する と、 銅の母相のナノサイズまでの超微細化と球状に近いナノサイズの金属間化合物のよう な物質の同母相への析出 ·分散による相乗効果によって、 従来の溶解法では製造し得ない 極めて優れた強度特性をもつ材料を作ることができる。 Normally, in copper alloy-based materials, the alloying elements that are constituents of the material are present as micron-sized intermetallic compounds, but the mechanical alloying method is used for such high-strength conductive copper alloy materials. And a substance such as an intermetallic compound close to nano-sized granular or spherical ¾ ^ (Nanocrystalline phase) A very tough powder that is precipitated and dispersed in the (nanocrystalline phase) is obtained. Due to the synergistic effect of the precipitation and dispersion of such substances in the same parent phase, it is possible to produce materials with extremely excellent strength properties that cannot be produced by conventional dissolution methods.
本発明は、 基本的には、 ナノ結晶の銅合金形成成分の混合物質又は溶製した銅合金粉末 材料などの物質をボールミノレ等を用いてメカニカルァロイング (M A) 又はメカ二カルミ リング (M M) の方法により、 超硬質で高導電性を有するナノ結晶銅合金粉末材料を提供 するとともに同粉末を固化成形処理により、 結晶粒径をナノサイズのレベルまで微細化し た場合に達成できるその限界に近い強さ (高強度) ないし硬さ (超硬質) 及び耐食性をも つナノサイズの金属間化合物のような物質の析出 ·分散強化型高導電性銅合金バルク材を 提供することである。 本発明では、 銅に他元素を添加した銅合金形成成分の混合物質又は溶製した銅合金材料 などにボールミル等を用いて、 アルゴンガスなどの雰囲気中にて室温でのメカ二力ルァ口 イング (M A) 又はメカニカルミリング (M M) 処理を施すと、 M M又は M A処理された 粉末は、 ポールミルによって付加された機械的エネルギーにより、 5〜5 0 n m前後の結 晶粒径まで容易に微細化し、 例えば粒径約 1 5 n mまで微細化したベリリウム銅のピツカ ース硬さは 5 0 0〜6 0 0程度となる。 The present invention is basically based on a method of mechanically milling (MA) or mechanical milling (MM) a material such as a mixed material of a nanocrystalline copper alloy forming component or a melted copper alloy powder material by using a ball mining or the like. ) To provide a nanocrystalline copper alloy powder material with ultra-hardness and high conductivity, and to limit the limits that can be achieved when the crystal grain size is reduced to the nanometer level by solidification molding of the powder. It is an object of the present invention to provide a precipitation-dispersion-strengthened high-conductivity copper alloy bulk material having near strength (high strength) or hardness (ultra-hardness) and corrosion resistance, such as a nano-sized intermetallic compound. According to the present invention, a mechanical luer ring at room temperature in an atmosphere such as argon gas using a ball mill or the like for a mixed material of a copper alloy forming component obtained by adding another element to copper or a smelted copper alloy material. (MA) or mechanical milling (MM) treatment, the MM or MA-treated powder can be easily refined to a crystal grain size of about 5 to 50 nm by the mechanical energy added by the pole mill. For example, the hardness of beryllium copper refined to a particle size of about 15 nm is about 500 to 600.
次いで、 そのような M M、 M A処理粉末を約 1 O mm内径のステンレス鋼チューブ (シ ース) に真空封入し、 これを 7 0 0〜 7 5 0 °C付近の温度で圧延機を用いたシース圧延に ょリ固化成形すると、例えばベリリウ厶を約 2質量%含有するベリリウ厶銅の場合は約 1 . 9 G P a以上の引張り強さを示す厚さ 1 . 5 mm程度のシー卜を容易に製造することがで さる。 また、 前項に記載のメカニカルァロイング (M A) 又はメカニカルミリング (M M) 処 理粉末に通常、 M A又は M M処理過程で必然的に混入する 0 . 5質量%程度までの酸素が '金属又は半金属の酸化物の形態で存在して、 同酸化物による結晶粒界のピン止め効果 (P i n n i n g e f f e c t ) により、 固ィ匕成形過程での結晶粒粗大化を抑制する。 本発明では、 銅合金形成成分の元素状粉末材料又は溶製した銅合金などの材料をボール ミル等を用いてメカニカルァロイング (M A) 又はメカニカルミリング (M M) 処理する と、 ナノ結晶銅合金相にナノサイズの金属間化合物が析出 ·分散した極めて硬くて強靱な 粉末材料を容易に製造でき、 これにシース圧延、 押出し加工などの固化成形を施すと、 高 硬度 ·高強度で高導電性を有する強靱かつ優れた耐食性などの特性を具備したナノ結晶銅 合金バルク材料を容易に製造することができる。
その結果、 C U 97.7 B e2C O 03 (質量%)、 C U 99.85 Z Γ 0. ,5 (質量%)及び C US935 C Γθ.65 (質 量%) などのナノ結晶銅合金の粉末材料及びそのバルク材が得られる。 Next, such MM and MA treated powder was vacuum-sealed in a stainless steel tube (sheet) with an inner diameter of about 1 Omm, and this was rolled using a rolling mill at a temperature around 700 to 75 ° C. When solidified by sheath rolling, for example, in the case of beryllium copper containing about 2% by mass of beryllium, sheets with a thickness of about 1.5 mm exhibiting a tensile strength of about 1.9 GPa or more can be easily formed. It can be manufactured in In addition, usually up to about 0.5 mass% of oxygen, which is necessarily mixed in the process of MA or MM processing, into the powder of the mechanical alloying (MA) or mechanical milling (MM) process described in the preceding paragraph is a metal or semi-metal. It exists in the form of a metal oxide and suppresses coarsening of grains during the solidification forming process due to the pinning effect of the grain boundaries caused by the oxide. In the present invention, a nanocrystalline copper alloy is obtained by subjecting a material such as an elemental powder material of a copper alloy forming component or a melted copper alloy to a mechanical milling (MA) or a mechanical milling (MM) using a ball mill or the like. An extremely hard and tough powder material in which nano-sized intermetallic compounds are precipitated and dispersed in the phase can be easily manufactured, and when this material is subjected to solidification molding such as sheath rolling or extrusion, high hardness, high strength and high conductivity are obtained. A nanocrystalline copper alloy bulk material having properties such as toughness and excellent corrosion resistance can be easily produced. As a result, powdered nanocrystalline copper alloys such as CU 97.7 Be 2 CO 03 (mass%), CU 99.85 Z Γ 0,5 (mass%) and CU S935 C Γθ.65 (mass%) A bulk material is obtained.
実施例 1 : Example 1:
銅(Cu)、ベリリウム(B e)、 クロム(C r)、 ジルコニウム(Z r)、チタン(T i )、 銀 (Ag) 又はリン (P) の元素状粉末から、 ポールミルを用いたメカニカルァロイング (MA) (雰囲気:アルゴンガス ZM A時間: 200 h) 処理により、 C uS7A3 (質量%) (A=Be、 C r、 Z r、 T i、 Ag、 又は P) 組成の銅合金及び銅の粉末をつくった。 シエラーの式を用 t \て求めたこれらの M A処理粉末の平均結晶粒径 dは表 1のとおりであ る。 A mechanical mill using a pole mill from an elemental powder of copper (Cu), beryllium (Be), chromium (Cr), zirconium (Zr), titanium (Ti), silver (Ag) or phosphorus (P). Row (MA) (atmosphere: Argon gas ZM A time: 200 h) By processing, Cu S7 A 3 (mass%) (A = Be, Cr, Zr, Ti, Ag, or P) composition Copper alloy and copper powder were made. Table 1 shows the average crystal grain size d of these MA-treated powders obtained by using the Sierra equation.
表 1からみて、 本発明によれば、 どの元素の場合でも 3質量%ほどの添加により銅の結 晶粒微細化は大きく促進され、 特に銅への固溶度が極めて小さく、 融点の高い元素 (ジル コニゥ厶、 クロムなど) ほどその効果は大きいことが解る。 As can be seen from Table 1, according to the present invention, the addition of about 3% by mass of any element greatly promotes the refinement of crystal grains of copper, and particularly the element having a very low solid solubility in copper and a high melting point. (Zirconium, Chromium, etc.) are more effective.
表 1 table 1
*他元素無添加 * No other elements added
* [メカニカルァロイング(MA) した C U97A3 (質量%) (A=B e、 C r、 Z r、 T ί、 Ag、 又は P) 合金粉末の平均結晶粒径 d] * [Mechanical alloying (MA) C U97A3 (% by mass) (A = Be, Cr, Zr, Tί, Ag, or P) Average crystal grain size d of alloy powder]
実施例 2 : Example 2:
銅 (Cu)、 ベリリウム (B e)、 コバルト (C o)、 ジルコニウム (Z r)、又はクロム (C r) の元素状混合粉末から、 ボールミルを用いたメカニカルァロイング (MA) (雰囲気 :アルゴンガス A時間: 200 h) 処理により、 C u97.7B e2C o»3 (質量%)、 C u99.Mechanical alloying (MA) using a ball mill from an elemental mixed powder of copper (Cu), beryllium (Be), cobalt (Co), zirconium (Zr), or chromium (Cr) (atmosphere: argon gas A time:. by 200 h) processing, C u 97 7 B e 2 C o »3 ( wt%), C u 99.
85 Z ro.15 (質量%) 及び Cu 3935 C ro.65 (質量%) 組成の銅合金粉末をつくった。 A copper alloy powder having a composition of 85 Z ro. 15 (% by mass) and Cu 3935 C ro. 65 (% by mass) was prepared.
次いで、 これらの合金粉末を内径約 1 Ommのステンレス鋼チューブ (シース) に真空 封入し、 こらに 600°Cにて熱間圧延加工を施した後、 水冷して固化成形試料を得た。 こ
れらの銅合金固化成形体と前記銅合舍 M A粉末試料の平均結晶粒径 d及びビッカース硬さ Hvは表 2のとおリである。本表において、 dの値はシエラ一の式を用いて求めた。また、 M A処理粉末のビッカース硬さは荷重 1 00 gにて測定したマイクロビッカース硬さであ る。 Next, these alloy powders were vacuum-sealed in a stainless steel tube (sheath) having an inner diameter of about 1 Omm, subjected to hot rolling at 600 ° C, and then cooled with water to obtain a solidified molded sample. This The average crystal grain size d and the Vickers hardness Hv of these solidified copper alloy compacts and the above-mentioned copper alloy MA powder samples are as shown in Table 2. In this table, the value of d was determined using the Sierra equation. The Vickers hardness of the MA-treated powder is a micro-Vickers hardness measured under a load of 100 g.
表 2からみて、 本発明によれば、 固化成形過程でかなり大きな結晶粒の成長はみられる が、 成形後もナノ結晶組織は保持された。 また、 MA処理粉末のビッカース硬さ Hvは溶 解法によって作られた各焼なまし材の硬さの約 3〜 5倍ほど大きく、 これらの値は固化成 形処理によって、 更に増大した。 このような Hv値増大の効果は、 ベリリウム銅の場合、 より顕著であることが解る。 表 2 As can be seen from Table 2, according to the present invention, the growth of considerably large crystal grains was observed during the solidification molding process, but the nanocrystalline structure was maintained after the molding. The Vickers hardness Hv of the MA-treated powder was about 3 to 5 times larger than the hardness of each annealed material produced by the melting method, and these values were further increased by the solidification molding treatment. It can be seen that such an effect of increasing the Hv value is more remarkable in the case of beryllium copper. Table 2
* MA粉末の硬さ Hvは、荷重 100gにて測定したマイクロビッカース硬さである * Hardness Hv of MA powder is micro-Vickers hardness measured under a load of 100g
* [メカニカルァロイング (MA) 処理した、 (a) C U97.TB e2C O O 3 (質量%)、 * [Mechanical alloying (MA) treated, (a) C U97.TB e 2 COO 3 (% by mass),
(b) C U 99.85 Z Γ 0.15 (質量%) 及び (C) C U 99.35 C Γ 0.65 (質量%) 合金粉末とそれらの 熱間固化成形体の平均結晶粒径 d及びビッカース硬さ H V] (b) C U 99.85 Z ス 0.15 (% by mass) and (C) C U 99.35 C Γ 0.65 (% by mass) alloy powder and average crystal grain size d and Vickers hardness H V of their hot-solidified compacts
実施例 3 : Example 3:
銅(C u)、 ベリリウ厶 (B e)、 コバルト (C 0)、 ジルコニウム (Zに)、 又はクロム (C r) の元素状混合粉末から、 ポールミルを用いたメカニカルァロイング (MA) (雰囲気 :アルゴンガス ZM A時間: 200 h) 処理にょリ、 C u 977 B e2C o。3 (質量%)、 C u 99.Mechanical alloying (MA) using a pole mill from an elemental mixed powder of copper (Cu), beryllium (Be), cobalt (C0), zirconium (to Z), or chromium (Cr) ( Atmosphere: Argon gas ZM A time: 200 h) Treatment, Cu 977 Be 2 Co. 3 (% by mass), Cu 99 .
85 Z Γ 0.15 (質量%) 及び CU93.35C Γ 0.65 (質量%) 組成の銅合金粉末をつくった。 85 Z gamma 0.15 (wt%) and CU 93. 35 C Γ 0.65 (wt%) were made of copper alloy powder composition.
次いで、 この 3種類の合金粉末を前期実施例 2と同様にして 600 °Cにて熱間圧延加工 を施し、これを水冷して得られた固化成形体試料の^ F均結晶粒径 d、ビッカース硬さ H v、 引張り強さ σΒ及び伸び δは表 3のとおリである。 Next, the three types of alloy powders were subjected to hot rolling at 600 ° C. in the same manner as in Example 2 above, and were cooled with water to obtain a ^ F uniform crystal grain diameter d, The Vickers hardness H v, tensile strength σ Β and elongation δ are as shown in Table 3.
表 3からみて、 本発明によれば、 前記の固化成形体は、 いずれも銅の高導電性を大きく 損なうことなく、 強さと伸びを兼ね備えた超高張力鋼をしのぐ極めて優れた強度特性を有
するものとなることが: 表 3 As can be seen from Table 3, according to the present invention, each of the solidified molded articles has extremely excellent strength characteristics that surpass ultrahigh-strength steel having both strength and elongation without significantly impairing the high conductivity of copper. Can be: Table 3
*[ (a) C U 97.7B e2C oo (質量%)、 (b) Cu39.85Z r015 (質量%) 及び (c) Cu C ro (質量%) メカニカルァロイング (MA) 試料の熱間固化成形体 * [(A) CU 97.7B e 2 C oo ( wt%), (b) Cu 39 . 85 Z r 015 ( % by weight) and (c) Cu C ro (wt%) Mechanical § b keying (MA) sample Hot solidified compact
の平均結晶粒径 d、 導電率% l ACS *、 引張り強さび及び伸び ] Average grain size d, conductivity% l ACS *, tensile rust and elongation]
❖ I n t e r n a t i o n a l An n e a l e d Co p p e r S t a n d a r d ❖ I n t e r n a t i o n a l An n e a l e d Co p p e r S t a n d a r d
産業上の利用可能性 Industrial applicability
本発明の高硬度 ·高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金のバルク材 は、 電気通信機器類用の導電性高力ばね材料として使用でき、 また電気電子機器類の軽量 化、 小型化を可能にする。 The bulk material of the tough nanocrystalline copper or copper alloy having high hardness, high strength and high conductivity of the present invention can be used as a conductive high-strength spring material for telecommunications equipment, and is lightweight for electric and electronic equipment. And miniaturization.
本発明によれば、 銅合金材料の形成成分の元素状混合物質又は溶製した銅合金などの物 質をメカニカルァロイング(MA)又はメカニカルミリング(MM)処理することにより、 ,母相の銅の結晶粒がナノサイズまで超微細化される上、 同結晶相内にさらに微細なナノサ ィズの金属間化合物などが粒状ないし球状に近い粒子として析出 ·分散するため、 通常の 溶解法では達成できないナノサイズレベルでの結晶粒微細化強化と金属間化合物などの析 出 -分散強化による、 より優れたナノ結晶銅合金材料の製造が実現できる。 According to the present invention, by subjecting a material such as an elemental mixture of components forming a copper alloy material or a melted copper alloy to mechanical alloying (MA) or mechanical milling (MM), Copper crystal grains are ultra-fine to nano size, and finer nano-sized intermetallic compounds etc. are precipitated and dispersed as granular or nearly spherical particles in the same crystal phase. It is possible to produce more excellent nanocrystalline copper alloy materials by strengthening crystal grain refinement at the nano-size level that cannot be achieved and precipitation-dispersion of intermetallic compounds.
また、 本発明によれば、 ナノ結晶銅合金粉末の熱間固化成形において、 同粉末の固化成 形温度への加熱にマイクロ波による急速加熱方式 (誘電体物質でなくても、 金属の場合で も粉末であれば、マイクロ波加熱(m i c r owav e h e a t i n g)が適用できる)、 及び/又は低周波誘導加熱方式を適用すれば、 その加熱過程での結晶粒の成長を抑制して ナノ結晶銅合金バルク材料の製造をよリ効果的に行うことができる。
Further, according to the present invention, in the hot solidification molding of the nanocrystalline copper alloy powder, a rapid heating method using microwaves is used for heating the powder to the solidification molding temperature (even if it is not a dielectric substance, it can be used in the case of metal). If the powder is also a powder, microwave heating (microwave heating) can be applied) and / or if a low-frequency induction heating method is applied, the growth of crystal grains during the heating process is suppressed and the nanocrystalline copper alloy bulk The material can be manufactured more effectively.