JP3636731B2 - Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金に係り、その目的は機械的強度、特に硬度が高く、耐磨耗性が良好で、レール等の溶着硬化材料など各種用途に幅広く適用することのできるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の提供にある。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｕ系合金は、非磁性であり、低温脆性がなく、Ｆｅ系の材料と較べると、電気伝導性や熱伝導性が良好で、しかも鋳造性や耐食性にも優れている。
しかし、Ｃｕ系合金には、反面、機械的強度、特に硬度が低く、耐磨耗性が著しく劣るという課題があった。
そこで従来より、Ｃｕ系合金の性質を生かしつつ、その機械的強度を改善しようと、鋭意検討が行なわれてきた。
機械的強度を改善したＣｕ系合金の一つとして、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系のコルソン合金が存在する。
このコルソン合金は、溶体化処理後、長時間の時効処理を行なうことによって、Ｃｕマトリックス中にＮｉ−Ｓｉの金属間化合物を晶出させた、Ｃｕ９５、Ｎｉ４〜５、Ｓｉ５％を含む晶出硬化型の合金で、導電性を低下させずに、引張り強さを向上させた優れたＣｕ系合金で、従来から電気電子部品として使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記したコルソン合金においても、未だその硬度は不十分で、より強い機械的強度と硬度が要求される用途には適用できないという課題が存在した。
そこで、業界では、Ｃｕ系合金の持つ優れた性質を、各種工業分野において広く利用することのできる、機械的強度、特に硬度の優れたＣｕ系合金の創出が望まれていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明では、ＣｕとＮｉとＳｉ及び不可避的不純物とからなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であって、前記Ｎｉの配合量が重量％で２１〜４０％とされるとともに、前記ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量がそれぞれ式１（数１）及び式２（数２）にて示される関係にあり、鋳放しによりＣｕ組織中にＮｉとＳｉの金属間化合物（Ｎｉ 2 Ｓｉ）を帯状に分散して晶出させてなることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を提供することにより上記従来の課題を悉く解消する。
【０００５】
【作用】
ＣｕとＮｉとＳｉとをそれぞれ特定の範囲で配合することにより、Ｃｕ組織中にＮｉとＳｉとの金属間化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）を帯状に均一に分散して晶出させることができ、従来のコルソン合金をはるかに上回る硬度を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を得ることができる。従って、従来のコルソン合金では適用できなかったレール等の溶着硬化材料など、各種工業分野において広く好適に使用することができる。
【０００６】
【発明の構成】
以下、この発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の構成について詳述する。
この発明ではＣｕ、Ｎｉ、Ｓｉが含有され、そのうちのＮｉの配合量が、重量％で２１〜４０％とされる。
Ｎｉは、Ｃｕに固溶して、Ｃｕマトリックスを強化し、高温での耐磨耗性を向上させるのに必要な元素である。
このＮｉの配合量が２１％未満では、マトリックス強化の充分な効果が得られず、この発明の目的とする機械的強度に優れたＣｕ系合金を得ることができない。また、４０％を超えると、Ｃｕ母相中へ固溶するＮｉが多くなりすぎ、Ｃｕの有する良好な導電性が阻害され、しかも加工性も悪化してくるため好ましくない。従って、この発明ではＮｉの配合量を２１〜４０％とした。
【０００７】
この発明では、前記Ｎｉ以外にＳｉ及びＣｕが配合される。
Ｓｉの配合量は、Ｎｉに対して式１（数１）に示される範囲とされる。
【０００８】
具体的にＳｉは重量％で、５．１〜９．２％配合される。
Ｓｉは、硬質な分散粒子としての硅化物を生成するのに必要な元素であり、特に前述したＮｉと共存した状態で化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）を形成する。
この化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）の生成によって、Ｃｕの有する導電性を極端に低下させることなく、機械的強度と硬度を向上させることができる。
さらに、Ｓｉは、材料の自溶性を高めて、溶着性を向上する作用をも有する。
Ｓｉの配合量が５．１％未満では、化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）の生成が不十分で、この発明の目的とする機械的強度と硬度に優れたＣｕ系合金を得ることができない。また、９．２％を超えると、Ｃｕ母相中へ固溶するＳｉが多くなりすぎ、Ｃｕの有する良好な導電性が阻害され、好ましくない。
従って、この発明では、Ｓｉの配合量を５．１〜９．２％とした。
【０００９】
この発明では、Ｃｕの配合量はＮｉ、Ｓｉに対して式２（数２）に示される範囲とされる。
【００１０】
具体的にＣｕは、重量％で、５０．８〜７３．９％配合される。
Ｃｕは、非磁性で、電気、熱の伝導度が高く、電気電子部品として、或いは溶着硬化材料として優れた元素である。
Ｃｕの配合量が５０．８％未満では前記した優れたＣｕの特性を発現させることができない。また、７３．９％を超えると、この発明の目的とする優れた硬度を発現させることができない。
従って、この発明ではＣｕの配合量を５０．８〜７３．９％とした。
【００１１】
この発明では前記したように、ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量をそれぞれ式１（数１）及び式２（数２）に示す関係にあることを要件としている。
【００１２】
このように、ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量をそれぞれ上記のように限定したのは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金において、ＮｉとＳｉとを上記に示すような関係で配合させることにより、Ｃｕの持つ良好な導電性を極端に低下させることなく、Ｃｕの欠点である機械的強度の弱さを改善し、従来のコルソン合金では発現させることのできなかった優れた硬度を発現させることができるという、この発明者らの鋭意研究による知得に基づくからである。
さらに、上記したようにＣｕとＮｉとＳｉとを配合させることによって、Ｃｕ組織中にＮｉとＳｉとの金属間化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）を帯状で均一に分散して晶出させることができ、このような金属間化合物のＣｕ組織中での晶出によって、優れた硬度を発現させることができるからである。
【００１３】
上記のように配合量を限定することにより、Ｃｕ系合金の欠点であった硬度を飛躍的に向上させることが可能となり、レール等の溶着硬化材料として好適に使用することができる。
このような配合のＣｕ系合金は、鋳放しで目的とする機械的強度と硬度を得るが、より更に靱性と導電性が必要な場合は、溶体化処理後、必要に応じて通常の時効処理を施して、この発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金とすることができる。時効処理をする際の条件としては、１１７３±１０Ｋで水中焼入れ後、７７３±１０Ｋで、厚さ２５ｍｍに対して１時間の割合の時間と。これに加えてさらに１時間の間保持した後、炉冷する。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の効果を、実施例を挙げることにより、一層明確に詳述する。尚、この発明は、以下に実施例により何ら限定されるものではない。
（実施例１〜４及び比較例１〜３）
Ｎｉ及びＳｉとをそれぞれ表１の配合に従って変化させて添加したＣｕ系合金材料約４０ｇを、高周波電気炉により溶解し（ＳｉＯ2ルツボ）、純銅製鋳型により遠心鋳造し、実施例１〜４、及び比較例１〜３のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を得た。
【表１】
（尚、前記表１の配合から明らかなように、比較例１として従来のコルソン合金を用いた。）
【００１５】
（試験例１）
光学顕微鏡観察
前記実施例３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の金属組織について、それぞれ顕微鏡観察（倍率：１００倍及び４００倍）を行なった。この結果を図１〜図２に示す。
【００１６】
（試験例２）
硬度測定
前記実施例１〜４及び比較例１〜３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の硬度をそれぞれ測定した。硬度の指標としては、ブリネル硬さ（ＨＢ）を用い、「ＪＩＳＺ２２４３ブリネル硬さ試験法」に示される試験方法に準じて測定した。
この結果を表２に、また得られた硬度（ＨＢ）の３元状態図を図３にて示した。すなわち、この３元状態図により、前記数式に示されるＮｉ：Ｓｉ比より、Ｓｉが多くなった場合は、Ｂｒｉｔｔｌｅ（脆性）になり、この数式が臨界線（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｌｉｎｅ）を示すことになる。
【表２】
【００１７】
図１〜２に示すように、実施例のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金では、組織中にＮｉ2Ｓｉの帯状の晶出物が均一に分散されていることが判る。
【００１８】
表２から明らかな如く、コルソン合金（比較例１）ではブリネル硬さＨＢ９７であったのに対し、実施例のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金ではいずれもＨＢ３５３以上の硬度が得られており、純銅、従来のコルソン合金に比して、硬度が飛躍的に増大していることが判る。
また、図３に示す３元状態図において、９５％Ｃｕ−４％Ｎｉ−１％Ｓｉ（比較例１）ではＨＢ９７であるが、９０％Ｃｕ−８％Ｎｉ−２％Ｓｉ（比較例２）、８０％Ｃｕ−１６％Ｎｉ−４％Ｓｉ（比較例３）、７３．９％Ｃｕ−２１．０％Ｎｉ−５．１％Ｓｉ（実施例１）、６０．６％Ｃｕ−３１．８％Ｎｉ−７．６％Ｓｉ（実施例２）、５０．８％Ｃｕ−４０．０％Ｎｉ−９．２％Ｓｉ（実施例３）（〇印）では漸次硬度が増大しているとともに、色調は銅色で金属性を帯びていた。
これに対し、比較例１（●印）では、ＨＢ２００未満であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述した如く、この発明はＣｕとＮｉとＳｉ及び不可避的不純物とからなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であって、前記Ｎｉの配合量が重量％で２１〜４０％とされるとともに、前記ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量がそれぞれ式１（数１）及び式２（数２）にて示される関係にあり、鋳放しによりＣｕ組織中にＮｉとＳｉの金属間化合物（Ｎｉ 2 Ｓｉ）を帯状に分散して晶出させてなることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であるから、前記実施例からも明らかな如く、従来のコルソン合金に較べて硬度が極めて向上し、レール等の溶着硬化材料や他の各種用途において幅広く適用することのできるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の組織の１００倍の顕微鏡写真である。
【図２】 実施例３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の組織の４００倍の顕微鏡写真である。
【図３】 実施例１〜４及び比較例１〜３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の３元状態図である。
【産業上の利用分野】
この発明はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金に係り、その目的は機械的強度、特に硬度が高く、耐磨耗性が良好で、レール等の溶着硬化材料など各種用途に幅広く適用することのできるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の提供にある。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｕ系合金は、非磁性であり、低温脆性がなく、Ｆｅ系の材料と較べると、電気伝導性や熱伝導性が良好で、しかも鋳造性や耐食性にも優れている。
しかし、Ｃｕ系合金には、反面、機械的強度、特に硬度が低く、耐磨耗性が著しく劣るという課題があった。
そこで従来より、Ｃｕ系合金の性質を生かしつつ、その機械的強度を改善しようと、鋭意検討が行なわれてきた。
機械的強度を改善したＣｕ系合金の一つとして、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系のコルソン合金が存在する。
このコルソン合金は、溶体化処理後、長時間の時効処理を行なうことによって、Ｃｕマトリックス中にＮｉ−Ｓｉの金属間化合物を晶出させた、Ｃｕ９５、Ｎｉ４〜５、Ｓｉ５％を含む晶出硬化型の合金で、導電性を低下させずに、引張り強さを向上させた優れたＣｕ系合金で、従来から電気電子部品として使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記したコルソン合金においても、未だその硬度は不十分で、より強い機械的強度と硬度が要求される用途には適用できないという課題が存在した。
そこで、業界では、Ｃｕ系合金の持つ優れた性質を、各種工業分野において広く利用することのできる、機械的強度、特に硬度の優れたＣｕ系合金の創出が望まれていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明では、ＣｕとＮｉとＳｉ及び不可避的不純物とからなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であって、前記Ｎｉの配合量が重量％で２１〜４０％とされるとともに、前記ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量がそれぞれ式１（数１）及び式２（数２）にて示される関係にあり、鋳放しによりＣｕ組織中にＮｉとＳｉの金属間化合物（Ｎｉ 2 Ｓｉ）を帯状に分散して晶出させてなることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を提供することにより上記従来の課題を悉く解消する。
【０００５】
【作用】
ＣｕとＮｉとＳｉとをそれぞれ特定の範囲で配合することにより、Ｃｕ組織中にＮｉとＳｉとの金属間化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）を帯状に均一に分散して晶出させることができ、従来のコルソン合金をはるかに上回る硬度を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を得ることができる。従って、従来のコルソン合金では適用できなかったレール等の溶着硬化材料など、各種工業分野において広く好適に使用することができる。
【０００６】
【発明の構成】
以下、この発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の構成について詳述する。
この発明ではＣｕ、Ｎｉ、Ｓｉが含有され、そのうちのＮｉの配合量が、重量％で２１〜４０％とされる。
Ｎｉは、Ｃｕに固溶して、Ｃｕマトリックスを強化し、高温での耐磨耗性を向上させるのに必要な元素である。
このＮｉの配合量が２１％未満では、マトリックス強化の充分な効果が得られず、この発明の目的とする機械的強度に優れたＣｕ系合金を得ることができない。また、４０％を超えると、Ｃｕ母相中へ固溶するＮｉが多くなりすぎ、Ｃｕの有する良好な導電性が阻害され、しかも加工性も悪化してくるため好ましくない。従って、この発明ではＮｉの配合量を２１〜４０％とした。
【０００７】
この発明では、前記Ｎｉ以外にＳｉ及びＣｕが配合される。
Ｓｉの配合量は、Ｎｉに対して式１（数１）に示される範囲とされる。
【０００８】
具体的にＳｉは重量％で、５．１〜９．２％配合される。
Ｓｉは、硬質な分散粒子としての硅化物を生成するのに必要な元素であり、特に前述したＮｉと共存した状態で化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）を形成する。
この化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）の生成によって、Ｃｕの有する導電性を極端に低下させることなく、機械的強度と硬度を向上させることができる。
さらに、Ｓｉは、材料の自溶性を高めて、溶着性を向上する作用をも有する。
Ｓｉの配合量が５．１％未満では、化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）の生成が不十分で、この発明の目的とする機械的強度と硬度に優れたＣｕ系合金を得ることができない。また、９．２％を超えると、Ｃｕ母相中へ固溶するＳｉが多くなりすぎ、Ｃｕの有する良好な導電性が阻害され、好ましくない。
従って、この発明では、Ｓｉの配合量を５．１〜９．２％とした。
【０００９】
この発明では、Ｃｕの配合量はＮｉ、Ｓｉに対して式２（数２）に示される範囲とされる。
【００１０】
具体的にＣｕは、重量％で、５０．８〜７３．９％配合される。
Ｃｕは、非磁性で、電気、熱の伝導度が高く、電気電子部品として、或いは溶着硬化材料として優れた元素である。
Ｃｕの配合量が５０．８％未満では前記した優れたＣｕの特性を発現させることができない。また、７３．９％を超えると、この発明の目的とする優れた硬度を発現させることができない。
従って、この発明ではＣｕの配合量を５０．８〜７３．９％とした。
【００１１】
この発明では前記したように、ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量をそれぞれ式１（数１）及び式２（数２）に示す関係にあることを要件としている。
【００１２】
このように、ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量をそれぞれ上記のように限定したのは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金において、ＮｉとＳｉとを上記に示すような関係で配合させることにより、Ｃｕの持つ良好な導電性を極端に低下させることなく、Ｃｕの欠点である機械的強度の弱さを改善し、従来のコルソン合金では発現させることのできなかった優れた硬度を発現させることができるという、この発明者らの鋭意研究による知得に基づくからである。
さらに、上記したようにＣｕとＮｉとＳｉとを配合させることによって、Ｃｕ組織中にＮｉとＳｉとの金属間化合物（Ｎｉ2Ｓｉ）を帯状で均一に分散して晶出させることができ、このような金属間化合物のＣｕ組織中での晶出によって、優れた硬度を発現させることができるからである。
【００１３】
上記のように配合量を限定することにより、Ｃｕ系合金の欠点であった硬度を飛躍的に向上させることが可能となり、レール等の溶着硬化材料として好適に使用することができる。
このような配合のＣｕ系合金は、鋳放しで目的とする機械的強度と硬度を得るが、より更に靱性と導電性が必要な場合は、溶体化処理後、必要に応じて通常の時効処理を施して、この発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金とすることができる。時効処理をする際の条件としては、１１７３±１０Ｋで水中焼入れ後、７７３±１０Ｋで、厚さ２５ｍｍに対して１時間の割合の時間と。これに加えてさらに１時間の間保持した後、炉冷する。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明に係るＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の効果を、実施例を挙げることにより、一層明確に詳述する。尚、この発明は、以下に実施例により何ら限定されるものではない。
（実施例１〜４及び比較例１〜３）
Ｎｉ及びＳｉとをそれぞれ表１の配合に従って変化させて添加したＣｕ系合金材料約４０ｇを、高周波電気炉により溶解し（ＳｉＯ2ルツボ）、純銅製鋳型により遠心鋳造し、実施例１〜４、及び比較例１〜３のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金を得た。
【表１】
【００１５】
（試験例１）
光学顕微鏡観察
前記実施例３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の金属組織について、それぞれ顕微鏡観察（倍率：１００倍及び４００倍）を行なった。この結果を図１〜図２に示す。
【００１６】
（試験例２）
硬度測定
前記実施例１〜４及び比較例１〜３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の硬度をそれぞれ測定した。硬度の指標としては、ブリネル硬さ（ＨＢ）を用い、「ＪＩＳＺ２２４３ブリネル硬さ試験法」に示される試験方法に準じて測定した。
この結果を表２に、また得られた硬度（ＨＢ）の３元状態図を図３にて示した。すなわち、この３元状態図により、前記数式に示されるＮｉ：Ｓｉ比より、Ｓｉが多くなった場合は、Ｂｒｉｔｔｌｅ（脆性）になり、この数式が臨界線（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｌｉｎｅ）を示すことになる。
【表２】
図１〜２に示すように、実施例のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金では、組織中にＮｉ2Ｓｉの帯状の晶出物が均一に分散されていることが判る。
【００１８】
表２から明らかな如く、コルソン合金（比較例１）ではブリネル硬さＨＢ９７であったのに対し、実施例のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金ではいずれもＨＢ３５３以上の硬度が得られており、純銅、従来のコルソン合金に比して、硬度が飛躍的に増大していることが判る。
また、図３に示す３元状態図において、９５％Ｃｕ−４％Ｎｉ−１％Ｓｉ（比較例１）ではＨＢ９７であるが、９０％Ｃｕ−８％Ｎｉ−２％Ｓｉ（比較例２）、８０％Ｃｕ−１６％Ｎｉ−４％Ｓｉ（比較例３）、７３．９％Ｃｕ−２１．０％Ｎｉ−５．１％Ｓｉ（実施例１）、６０．６％Ｃｕ−３１．８％Ｎｉ−７．６％Ｓｉ（実施例２）、５０．８％Ｃｕ−４０．０％Ｎｉ−９．２％Ｓｉ（実施例３）（〇印）では漸次硬度が増大しているとともに、色調は銅色で金属性を帯びていた。
これに対し、比較例１（●印）では、ＨＢ２００未満であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述した如く、この発明はＣｕとＮｉとＳｉ及び不可避的不純物とからなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であって、前記Ｎｉの配合量が重量％で２１〜４０％とされるとともに、前記ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量がそれぞれ式１（数１）及び式２（数２）にて示される関係にあり、鋳放しによりＣｕ組織中にＮｉとＳｉの金属間化合物（Ｎｉ 2 Ｓｉ）を帯状に分散して晶出させてなることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であるから、前記実施例からも明らかな如く、従来のコルソン合金に較べて硬度が極めて向上し、レール等の溶着硬化材料や他の各種用途において幅広く適用することのできるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の組織の１００倍の顕微鏡写真である。
【図２】 実施例３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の組織の４００倍の顕微鏡写真である。
【図３】 実施例１〜４及び比較例１〜３で得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の３元状態図である。
Claims (1)
- ＣｕとＮｉとＳｉ及び不可避的不純物とからなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金であって、前記Ｎｉの配合量が重量％で２１〜４０％とされるとともに、前記ＣｕとＮｉとＳｉとの配合量がそれぞれ次式１（数１）及び次式２（数２）にて示される関係にあり、鋳放しによりＣｕ組織中にＮｉとＳｉの金属間化合物（Ｎｉ 2 Ｓｉ）を帯状に分散して晶出させてなることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金。
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