JPH0421732A - 銅基複合材料及びその製造法 - 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】 （技術分野） 本発明は、銅基複合材料並びにその製造法に係り、特に
耐熱性、導電性、熱伝導性に加えて、更に耐摩耗性等の
性能が要求される各種装置、例えば連続鋳造鋳型や抵抗
溶接用電極等に好適に採用される銅基複合材料及びそれ
を製造する方法に関するものである。

（背景技術） 従来から、銅マトリクス中にアルミナ（Ａ１２０３）粒
子が微細に分散した構成を有するアルミナ分散強化銅が
、熱伝導性、導電性、耐熱性等の点で優れた材料として
知られており、その耐熱性や導電性を利用して、例えば
抵抗溶接用の電極材料等が実用化され、またその良好な
熱伝導性により、鉄の連続鋳造鋳型における、従来の燐
脱酸銅に代わる材料として、その利用が有望視されてい
る。けだし、生産性を高めるために、鋳造速度を上げる
と、かかる鋳型の温度が著しく上昇するようになるとこ
ろから、高温で変形しない高熱伝導性材料が望まれてい
るからである。

しかしながら、そのような連続鋳造鋳型にあっては、鋳
型内で形成される鋳片が冷却、凝固せしめられつつ、引
き下げられる際に、該鋳型内面と鋳片の表面との摩擦に
よって、鋳型内面が摩耗され易く、それによって鋳型の
寿命が低下し、以て鋳型のコストの上昇、更には生産性
の低下を惹起するという問題があったのであり、これは
、鋳型材料としてアルミナ分散強化銅材料を用いた場合
にあっても、例外ではなかったのである。

また、アルミナ分散強化銅材料からなるスポット溶接等
の抵抗溶接用電極にあっても、耐熱性や高導電性の点に
おいて満足するものの、Ｚｎメツキ鋼板等の溶接時にお
ける溶着の問題を内在しており、そのような溶着を充分
に防止し、以て該電極の寿命を向上させるには、未だ充
分に満足出来るものではなかったのである。

（解決課Ｂ） ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として
為されたものであって、その解決課題とするところは、
熱伝導性、導電性、耐熱性に優れていると共に、優れた
耐摩耗性を備え、連続鋳造鋳型や抵抗溶接用電極等の材
料として有利に用いられ得る銅基複合材料及びその製造
法を提供することにある。

（解決手段） そして、かかる課題を解決するために、本発明は、銅マ
トリクス中に、粒径がｌｏ−２μｍ未満のアルミナ粒子
を０．０５〜１．５重量％の割合で含有すると共に、粒
径が１０−”〜１０２μｍのセラミックス粒子を０．０
５〜１０重量％の割合で含有していることを特徴とする
銅基複合材料を、その要旨とするものである。

また、本発明は、そのような銅基複合材料を製造するた
めに、銅マトリクス中に粒径が１０−２μｍ未満のアル
ミナ粒子が微細に分散せしめられてなるアルミナ分散強
化銅粉末に、粒径が１０−２〜１０２μｍのセラミック
ス粉末を配合せしめて、均一な複合粉末とした後、この
複合粉末を加圧成形して緻密化し、銅マトリクス中に前
記アルミナ粒子及びセラミックス粒子が均一に分散され
た一体的な材料とするようにしたのである。

（具体的構成） ところで、このような本発明に従う銅基複合材料を製造
するには、先ず、所定量のＡｌを含有するＣ　ｕ　−Ａ
　１合金から、ガスや水等の噴霧媒体を用いる所謂アト
マイズ法や機械的に粉砕する方法等の公知の粉末化手法
に従って調製された、粉末合金が用意される。この粉末
合金中のＡｌ成分は、後述の内部酸化処理によりアルミ
ナ微粒子に変化せしめられるものであって、目的とする
アルミナの含有量に従って、かかるＡｌの合金割合は適
宜に決定されることとなる。

次いで、このような粉末には、アルミナ微粒子を形成せ
しめるべく、通常の内部酸化処理が施されるが、この内
部酸化処理に先立って、通常、かかる粉末の少なくとも
一部に対して、予備酸化処理が施される。この予備酸化
処理は、酸化性雰囲気中、一般には空気中において、加
熱処理することにより実施され、これによって、それら
粉末中のＡｌ成分をＡｆ２０．と為し得る酸素を、酸化
物、特にＣｕ２Ｏ，ＣｕＯの如きＣｕ酸化物として含む
粉末が形成される。

そして、このようにして得られた粉末に対して内部酸化
処理が施されるのである。この内部酸化処理は、前記予
備酸化処理よりも更に高温に加熱せしめることにより、
粉末中のＡＩ！、成分を、粉末内部に拡散した酸素によ
り選択的に酸化せしめて、かかるＡＩ！、成分をＡ　ｌ
　ｚ　Ｏ３と為し、銅マトリクス中にアルミナ粒子が微
細に分散されてなるアルミナ分散強化銅粉末とするもの
である。また、この内部酸化処理を施す場合には、一般
に、ＡｒＮ２ガス等の不活性なガスからなる雰囲気中に
おいて実施される。その後、必要に応じて、過剰のＣｕ
酸化物を還元するために、還元性雰囲気、例えば水素雰
囲気中において、５００〜９５０°ｃ程度の温度に加熱
することからなる還元処理が施されることとなる。

因みに、かかる内部酸化処理は、具体的には、例えば、
約３００°Ｃの空気中で約１時間酸化処理した後、Ｎ２
ガス中で８００°ＣＸ１時間の処理により内部酸化させ
、続いて７００°ＣＸ３０分間、Ｈ２ガス中で還元処理
する等の条件下で実施されることとなる。

このような内部酸化処理によって、所望のアルミナ分散
強化銅粉末、即ち粒径：１０〜２μｍ未満のアルミナ粒
子が、０．０５〜１．５重量％の割合において含有せし
められてなるアルミナ分散強化銅粉末が得られるのであ
る。なお、このアルミナ分散強化銅材料中に含有される
アルミナ微粒子の粒径が１０−２μｍ以上となると、耐
熱性が低下し、またその含有量が０．５重量％未満にな
ると、耐熱性が不足する一方、１．５重量％を越えると
、熱伝導性が低下する。これは、前記内部酸化により全
てのＡ！が酸化するに至らず、残留した固溶Ａ１が熱伝
導性を低下させるためと考えられる。

そして、本発明にあっては、このようなアルミナ分散強
化銅粉末に対して、所定のセラミックス粉末が添加、混
合せしめられて、一体的な材料とされるのであるが、こ
のセラミックス粉末としては、その粒径が実質的に１０
−２〜１０２μｍのものが用いられる。なお、ここで、
１０−２〜１０２μｍの粒径のセラミックス粉末とは、
添加されるセラミックス粉末全体の９０重量％以上が１
０−ｔ〜１０２μｍの粒径のものとなるように調製され
てなるものである。そして、アルミナ分散強化銅粉末に
対して、そのようなセラミックス粉末が０゜０５〜１０
重量％の割合において均一に混合されて、目的とする複
合粉末とされる。なお、この添加されるセラミックス粉
末としては、通常のセラミックス粉末、例えば、ジルコ
ニア、シリカ、チタニア、Ｖ２Ｏ３等の酸化物；Ｓｉ、
Ｎ４等の窒化物；ＢＣ，ＳｉＣ等の炭化物；ＴｉＢｚ、
ＺｒＢｚ等のホウ化物等から適宜に選択されるものであ
る。

また、かかるセラミックス粒子の粒径が１０−２μｍよ
りも小さくなると、耐摩耗性が不足するようになり、一
方１０２μｍを越えると、加工性が低下するようになる
。更に、１０−”〜１０２μｍの粒径のセラミックス粒
子の配合量が０．０５重量％未満になると、耐摩耗性の
向上効果が少なく、−方１０重量％を越えると、加工性
が低下することとなるところから、その配合量は、０．
０５〜１０重量％とされる必要がある。

また、かかる複合粉末は、通常の手法に従って、加圧成
形することにより、緻密化せしめられる。

例えば、該複合粉末を所定形状に圧縮成形した後、或い
はかかる複合粉末のまま、無酸素銅等の所定の容器内に
均一に充填し、そして該容器を真空引きして、脱気操作
を施すことにより、内部の気体を排除し、その後、同じ
く無酸素銅からなる蓋部材にて覆蓋、密封することによ
り、熱間押出用ビレットを形成する。そして、この得ら
れたビレットを所定の温度に加熱せしめ、目的とする製
品に応して設定された押出比を以て、通常の熱間押出加
工、例えば直接若しくは間接方式の熱間押出を実施し、
その後、必要に応じて、冷間加工、スウェージング加工
或いは抽伸加工等を施すことにより、目的とする銅基複
合材料を得るのである。

かくして得られた銅基複合材料にあっては、その銅マト
リクス中に、粒径：１０−２未満のアルミナ粒子が０．
０５〜１．５重量％の割合において、またａ径：　１０
−”〜１０２μｍのセラミックス粉末が０．０５〜１０
重景％の割合において、それぞれ均一に分散、含有され
ているところから、耐熱性。

熱伝導性、導電性が良好であることは勿論、更に耐摩耗
性にも優れ、また抵抗溶接用電極材料等に用いられる場
合には、該電極の耐溶着性をも向上せしめ得るのである
。

（実施例） 以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に
具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって、何等の制約をも受けるもの
でないことは、言うまでもないところである。

また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限り
において、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正
、改良等を加え得るものであることが、理解されるべき
である。

実施例　Ｉ Ｃｕ　−０，３重量％Ａ１合金粉末（粒径：１００μｍ
以下）を用意し、これを、大気中において、３００°Ｃ
の温度で表面酸化処理し、次いでＡｒガス雰囲気中にお
いて、９００°Ｃにて内部酸化処理を行ない、更に、水
素雰囲気中、７００°Ｃの温度にて余分な銅酸化物を除
去した後、１００μｍ以下に粉砕した。これにより、Ｃ
ｕマトリクス中に平均粒径：１×１０″３μｍのＡ　ｌ
　ｔ　０３粒子が分散したアルミナ分散強化銅粉末が得
られた。

そして、かかるアルミナ分散強化銅粉末に対して、セラ
ミックス粉末として、１０００メツシユの篩をバスした
、下記第１表のＮＯ，１〜３に示される如き各種の平均
粒径及び配合量のＡｌ２Ｏ３粒子を混合した。

次いで、かくして得られた各複合粉末を、それぞれ、１
４インチφ×１０１１ＩＩＩｌｔ−の無酸素銅製の缶に
充填して密封した後、９００°Ｃの温度にて熱間押出を
行ない、厚み：５０閣、幅：８０ｍｍの鋳型板材を得た
。

このようにして得られた各板材（阻１〜３）を用いて、
引張強さ（３００°Ｃ）、熱伝導度（２０’ＣＬ耐摩耗
性（１００″Ｃ）をそれぞれ測定し、その結果を、下記
第１表に示した。なお、耐摩耗性は、ピンディスク装置
を用いて、面圧：１００廟、相手材：Ｆｅ１２にて行な
った。

実施例　２ Ｃｕ−０，４重量％Ａ１合金粉末（粒径：６５μｍ以下
）を用意し、実施例１と同様にして、この合金粉末を大
気中にて３４０°Ｃの温度で表面酸化した後、Ａｒガス
雰囲気中において、９００　’Ｃの温度にて内部酸化処
理した。次いで、水素雰囲気中、７００°Ｃの温度にて
余分な銅酸化物を除去せしめた後、１４９μｍ以下の粒
径に粉砕した。これにより、Ｃｕマトリクス中に平均粒
径：６×１Ｏ−４μｍのＡｊ２２０．粒子が分散したア
ルミナ分散強化銅粉末が得られた。

次いで、このアルミナ分散強化銅粉末に、セラミックス
粉末として、１０００メ・ノシュの篩をパスした平均粒
径が２μｍのＡｆ、Ｏ，粒子を５重量％混合し、得られ
た複合粉末を１４インチφ×１０ｍｍ”の燐脱酸銅製缶
に充填して密封し、９３０°Ｃにて熱間押出を行ない、
厚み二５０髄、幅：１１００ｎ＋の鋳型板材を得た。

かくして得られた板材（阻４）について、実施例１と同
様にして、その引張強さ、熱転導度、耐摩耗性を測定し
、その結果を、下記第１表に併わせ示した。

比較例　１ 実施例１と同様にして得られたアルミナ分散強化銅粉末
を用い、この粉末に対して、下記第１表の階５〜７に示
される如き平均粒径及び配合量において、ＡＩ２．０３
粒子を配合し、同様に処理して、各種鋳型板材を得た。

そして、それら板材（Ｎα５〜７）を用い、前記と同様
の特性評価を行なった結果を、下記第１表に併わせ示し
た。

また、アルミナ分散強化銅粉末に配合されるセラミック
ス粉末（Ａ　１２０３粒子）の配合量が前記Ｎｏ、　５
〜７とは異なるものを、Ｎｏ、８．９として１、更に燐
脱酸銅からなる鋳型板材を用いたものを、Ｎｏ、　１０
として、同様の評価を行なった結果も、下記第１表に併
わせ示した。

かかる第１表から明らかなように、本発明に従って得ら
れた鋳型板材（階１〜４）は、比較例の板材（Ｎａ５，
８〜１０）に比して、何れも、引張特性、熱伝導性、耐
摩耗性において優れていることが認められた。なお、Ｎ
α６．７は、熱間押出の際に割れが発生して、各特性評
価試験を行なうことが出来なかった。

実施例　３ Ｃｕ　−０，４重量％Ａ！合金粉末（粒径：６５μｍ以
下）を用いて、これを、大気中にて、３４０°Ｃの温度
で表面酸化し、そしてＡｒガス雰囲気中で、９００°Ｃ
の温度にて内部酸化処理した。次いで、水素雰囲気中で
、７００　”Ｃの温度にて、余分な銅酸化物を除去した
。これにより、Ｃｕマトリクス中に、平均粒径：　６　
Ｘ　１０−’μｍのＡ　１２０３粒子が微細に分散した
アルミナ分散強化銅粉末（焼結体）を得た。

次いで、かかる焼結体に、セラミックス粉末として、１
６００メツシユの篩をパスした、平均粒径が０．５　ｐ
　ｍ或いは１．５　ｐ　ｍのＴｉＢ２を、第２表のＮａ
１ｌ〜１３に示される如き割合で、それぞれ混合し、１
４９μｍ以下に粉砕した。そして、この粉砕して得られ
た各粉末を、それぞれ、１０インチφＸ１５ａｏｔの無
酸素銅製缶に封入して、８５０　”Ｃの温度にて熱間押
出を行ない、３０ｍｎφの棒材を得た。そして、この得
られた押出棒を１８ＩＩＩＩｌφまでスウェージング加
工し、更に１６ｍｍφまで抽伸加工した後、据え込み加
工により、スボッＩｆ？接用キャップチップ（１６閣φ
、４０Ｒ）とした。

かくして得られた各種キャップチップ（Ｎｏ、１１〜１
３）を用い、更に被溶接材として亜鉛メツキ鋼板を用い
て、溶接電流：１１ｋＡ、加圧力＝２００ｋｇｆにて、
スポット溶接打点テストを実施した。その結果を、下記
第２表に示した。

なお、耐溶着性は、１０００打点までに生じた溶着回数
とし、寿命は、形成されたナゲツト径が４ｖｆｆ　（ｔ
＝板厚；０．８ｍｍ）以下トナツタ打点数トした。

実施例　４ Ｃｕ　−０，３重量％Ａｆ合金粉末（粒径：６５μｍ以
下）を用いて、これを、大気中にて、３００°Ｃの温度
で表面酸化し、そしてＡｒガス雰囲気中で、８００°Ｃ
の温度にて内部酸化処理した。次いで、水素雰囲気中で
、５００°Ｃの温度にて、余分な銅酸化物を除去した。

これにより、Ｃｕマトリクス中に、平均粒径：　４　Ｘ
　Ｉ　Ｕ’ａｍのＡ　１２０３粒子が微細に分散したア
ルミナ分散強化銅粉末（焼結体）を得た。

次いで、かかる焼結体に、セラミックス粉末として、１
０００メソシユの篩をパスした平均粒径：２．５μｍの
Ａｌ２Ｏ，を０．５重量％及び２重量％の割合でそれぞ
れ混合し、１４９μｍ以下に粉砕した。そして、この粉
砕して得られた各粉末を、それぞれ、１０インチφＸ１
５０！ＤＩ”の無酸素銅製缶に封入して、８５０°Ｃの
温度にて熱間押出を行ない、３０肛φの棒材とした。そ
して、それら棒材を１８髄φまでスウエージング加工し
、１６閤φまで抽伸加工を行なった後、据え込み加工に
より、スポット溶接用キャップチップ（１６ｍｍφ、４
０Ｒ）とした。

かくして得られた各キャップチップ（Ｎα１−２〜１５
）を用い、更に実施例３と同様なテストを実施し、その
結果を、下記第２表に示した。

比較例　２ 実施例３と同様にして得られたアルミナ分散強化銅粉末
を用い、これに対して、第２表のＮ０１６〜１８に示さ
れる如き平均粒径及び含有量において、ＴｉＢｚを混合
し、同様に作製したキャップチップについて、それぞれ
、前記と同様な試験を行ない、その結果を、下記第２表
に併わせ示した（Ｎα１６〜１８）。

一方、実施例４と同様にして得られたアルミナ分散強化
銅粉末を用いて、これに配合されるセラミックス粒子の
含有量を１２重量％とした例を、Ｎα１９として、また
クロム銅（Ｃｒ：０．６重量％、Ｚｒ：０．０５重量％
）からなるスポット溶接用キャップチップを、ＮＯ２Ｏ
として、同様に、スポット溶接打点テストを行ない、そ
の結果を、それぞれ、下記第２表に併わせ示した。

かかる第２表の結果から明らかなように、本発明に係る
銅基複合材料を用いてなるスポット溶接用キャップチッ
プ（Ｎｏ、１１〜１５）は、何れも、耐溶着性が著しく
改善されて、比較例（Ｎα１６゜１８．２０）に比して
、その寿命も遥かに優れていることが認められた。なお
、Ｎｏ、　１７及び１９は、何れも、熱間加工時に割れ
が発生して、テストを行なうことが出来なかった。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明に従う銅基複合
材料は、高い導電性や熱伝導性、耐熱性を備えていると
共に、更に優れた耐摩耗性を有しているところから、例
えば連続鋳造鋳型材や抵抗溶接用電極材料として用いら
れた場合にも、それら鋳型や電極等の寿命を著しく向上
することが出来るのであり、また、本発明に従う製造方
法によれば、そのような銅基複合材料を、容易に且つ有
利に製造することが出来るのである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）銅マトリクス中に、粒径が１０＾−＾２μｍ未満
   のアルミナ粒子を０．０５〜１．５重量％の割合で含有
   すると共に、粒径が１０＾−＾２〜１０＾２μｍのセラ
   ミックス粒子を０．０５〜１０重量％の割合で含有して
   いることを特徴とする銅基複合材料。
2. （２）銅マトリクス中に粒径が１０＾−＾２μｍ未満の
   アルミナ粒子が微細に分散せしめられてなるアルミナ分
   散強化銅粉末に、粒径が１０＾−＾２〜１０＾２μｍの
   セラミックス粉末を配合せしめて、均一な複合粉末とし
   た後、この複合粉末を加圧成形して緻密化し、銅マトリ
   クス中に前記アルミナ粒子及びセラミックス粒子が均一
   に分散された一体的な材料とすることを特徴とする銅基
   複合材料の製造法。