JPH04237594A

JPH04237594A - 電極素材および電極素材の製造方法

Info

Publication number: JPH04237594A
Application number: JP3006530A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1991-01-23
Filing date: 1991-01-23
Publication date: 1992-08-26
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JP2533410B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極素材および電極素
材の製造方法に関し、一層詳細には、亜鉛めっきを施し
た溶接金属、およびアルミニウムまたはアルミニウムを
主体とするアルミニウム合金から電極への異物種拡散と
、粒界鋭敏化を抑制することにより、亜鉛めっきを施し
た溶接金属、およびアルミニウム合金金属に対する電極
のはりつきを阻止し、高導電性を維持するとともに、電
極の耐久性を著しく向上させることを可能とした電極素
材および電極素材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電極部、接点部の素材（以後
、電極素材と呼称する）として、軟質で良導電性の銅を
母材とし、機械的強度の向上と、溶接金属から電極への
異物種拡散の阻止を目的として、クロムや酸化アルミニ
ウム等を添加した合金が用いられている。

【０００３】例えば、Ｃｒ−Ｃｕ系合金を用いた電極素
材では、銅とクロムとの原子間力が強いためにその機械
的強度は、引張り強度が４５ｋｇｆ／ｍｍ２　と大きく
、また、電気抵抗も小さく、導電性も銅の場合の７０％
から８０％程度と高く維持され、溶接時に溶接金属との
当接面における発熱も小さい等、電極素材として好適な
特性を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｃ
ｒ−Ｃｕ系合金の亜鉛めっきを施した溶接金属に対する
ぬれ性が高く、前記Ｃｒ−Ｃｕ系合金を電極素材とし、
亜鉛めっきを施した溶接金属、およびアルミニウム合金
金属の溶接を行うに際して溶着を生じる。すなわち、前
記Ｃｒ−Ｃｕ系合金は、溶接等によりＺｎ、Ｍｇ、Ｆｅ
、Ａｌ等の金属が侵入すると、大気中の酸素によりＺｎ
、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ａｌは酸化され、その肥大化した
酸化物により前記合金の組織を脆弱化させ、亀裂を生じ
、ついには、溶着を起こすばかりか、前記金属の侵入に
より電気抵抗値を高め、電気導電性を低下させる不都合
が露呈している。

【０００５】その一例を図１、図２に示す。図１は、溶
接した後のＣｒ−Ｃｕ系合金を用いた電極チップ１０を
示し、その先端部には明らかに亀裂Ａが見られる。

【０００６】図２は、亀裂Ａの１００倍の倍率の金属顕
微鏡を用いた拡大図であり、母材１２の組織中にＦｅ１
４とＦｅ、Ｚｎの拡散層１６の侵入が認められる。

【０００７】前記不都合を克服すべく、酸化アルミニウ
ムからなるセラミックス成分を母材である銅の結晶構造
中に拡散焼結させた酸化アルミニウム分散強化銅合金を
電極素材として用いるに至っている。すなわち、銅の結
晶構造の間隙を酸化アルミニウムによって塞ぎ、Ｚｎ、
Ｆｅ、Ｍｇ、Ａｌ等の金属の侵入を、所謂、ピン止めに
より阻止する方法である。

【０００８】ところで、電極素材として銅を母材に使用
する場合には、樹枝状のデントライト結晶構造を有する
銅粉粒体を用いることが多い。この場合、前記樹枝状の
デントライト結晶構造を有する銅粉粒体同士の間隙に他
の金属成分を分散侵入させることは困難である反面、前
記銅粉粒体同士の間隙に酸化アルミニウムを分散させる
場合にも数μｍ程度の粒径のものを分散させることしか
できず、抵抗を増加させることなくセラミックス成分で
ある酸化アルミニウムの添加量を増加させるには至って
いない。

【０００９】また、合金酸化法を用いた場合においても
、結晶構造内部には、セラミックス化に必要な酸素の拡
散が十分になされず、実質的に抵抗を増加させることな
くセラミックスの添加量を増加させてはいない。

【００１０】つまり、電極素材として酸化アルミニウム
分散強化銅合金を用いた場合においても、銅粉粒体同士
の間隙に、所謂、ピン止めを行うための微細な酸化アル
ミニウムからなるセラミックス成分を必要十分なだけ分
散析出するには至っていない。

【００１１】この結果、亜鉛めっきを施した溶接金属の
溶接に際して、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ａｌ等の金属の侵入
を原因とする溶着が解消されたとは言い難く、また、電
極素材としてＣｒ−Ｃｕ系合金を用いた場合と比較して
も、その寿命は２割から３割程度の延長効果を得ている
に過ぎない。

【００１２】すなわち、酸化アルミニウム分散強化銅合
金を電極素材として用いることは、その複雑な製造工程
と、そのために要する製造コストに対して、その効果は
、実用に供するに好適とは言い難い。例えば、図３は、
溶接した後の酸化アルミニウム分散強化銅を用いた電極
チップ２０を示し、その先端部には明らかに亀裂Ｂが認
められる。

【００１３】また、図４は、亀裂Ｂの１００倍の倍率の
金属顕微鏡を用いた拡大図である。母材２２中にはＦｅ
２６、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｕ等の酸化された合金２８の侵入
が認められるばかりか、ＺｎとＦｅの拡散層３０は内部
へ拡散している。さらには、所謂、ピン止めが均一にな
されていないため、亀裂Ｂの端部２４は母材２２の深部
に至っている。

【００１４】従って、本発明の目的は、亜鉛めっきを施
した溶接金属、およびアルミニウム合金金属等の溶接に
際して、機械的強度と、導電性に優れ、溶接金属との溶
着性を低減化することにより電極の寿命の延長を図るこ
とが可能な電極素材および電極素材の製造方法を提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、銅を母材料として、全体重量に対して
０．４重量％以上３．０重量％以下の組成範囲を有する
クロム、あるいは１ｇ中に４ｍｇ以上３０ｍｇ以下の割
合で含有されるクロムと、全体重量に対して０．０５重
量％以上１．２重量％以下の組成範囲を有するアルミニ
ウム、あるいは１ｇ中に０．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下の
割合で含有されるアルミニウムと、全体重量に対して０
．０３重量％以上１．０重量％以下の組成範囲を有する
チタン、あるいは１ｇ中に０．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下
の割合で含有されるチタンと、からなり、且つ前記クロ
ムの一部をセラミックス化し、前記アルミニウム並びに
前記チタンの少なくとも一部をセラミックス化して得た
析出分散強化材を有することを特徴とする。

【００１６】また、本発明は、主成分である電気銅粉末
と、全体重量に対して０．４重量％以上３．０重量％以
下の組成範囲を有するクロム粉末、あるいは１ｇ中に４
ｍｇ以上３０ｍｇ以下の割合で含有されるクロム粉末と
、全体重量に対して０．０５重量％以上１．２重量％以
下の組成範囲を有するアルミニウム粉末、あるいは１ｇ
中に０．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下の割合で含有されるア
ルミニウム粉末と、全体重量に対して０．０３重量％以
上１．０重量％以下の組成範囲を有するチタン粉末、あ
るいは１ｇ中に０．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下の割合で含
有されるチタン粉末とを含有する原料粉末を、湿式混合
して前記電気銅粉末中に分散させた後、前記原料粉末を
加圧成形して成形体を得る第１の工程と、前記第１工程
で得た成形体に１００℃以上３００℃以下の温度範囲で
熱処理を施し、酸化膜を有する成形体を得る第２の工程
と、前記第２工程で得た成形体に不活性ガス雰囲気下で
９５０℃以上１０６５℃以下の温度範囲で焼結処理を施
し、前記クロム粉末の表面の一部、および前記アルミニ
ウム粉末並びに前記チタン粉末の少なくとも一部をセラ
ミックス化し析出分散強化材を得る第３の工程と、を有
することを特徴とする。

【００１７】

【構成の具体的説明】本発明に係る電極素材および電極
素材の製造方法では、母材として導電性の高い銅を得る
べく、主成分として電気銅粉末を用いた。

【００１８】しかし、銅は硬度が低いため、硬質化を目
的として、クロム粉末を添加してＣｕ−Ｃｒ系合金を得
た。前記合金は、銅原子とクロム原子の原子間力が強い
ために引張り強度が４５ｋｇｆ／ｍｍ２　と大きな機械
的強度を有する。また、電気抵抗が小さいため、銅単体
の場合の７０％から８０％程度の導電性を有する。さら
には、溶接に際して、溶接金属との当接面に生じる発熱
量も少ない。

【００１９】しかしながら、前記合金を電極素材として
用い、亜鉛めっきを施した溶接金属、およびアルミニウ
ム合金金属の溶接に際しては、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ
等の異種金属成分が容易に合金の結晶構造中に侵入し、
前記異種金属成分が作業環境中の酸素で酸化され、肥大
化した酸化物を生成することにより、前記結晶構造を脆
弱化し、亀裂を生み、ついには溶着を生じさせる。

【００２０】従って、導電性を低下させることなく前記
の溶着に至る現象を回避するために、微細なクロム粉末
、アルミニウム粉末、およびチタン粉末を電気銅粉末中
に拡散させた後、セラミックス化を行うことにより結晶
構造を緻密化し異種金属成分の侵入を阻止した。なお、
前記セラミックス化には、酸化をきたしていない清浄な
原料粉末を用いた。

【００２１】また、前記セラミックス化以前にプレス成
形等により原料粉末を塑性変形させて原料粉末同士を結
合させた後、その表面に０．００１μｍから０．０１μ
ｍ程度の酸化膜、およびアルミニウム並びにチタンの一
部を酸化する処理を施した。

【００２２】前記の工程は、原料粉末表面の全部が酸化
膜で被覆されていると焼結を阻害して緻密化しないから
である。前記酸化膜の膜厚は０．０１μｍより厚い場合
には焼結を阻害し、０．００１μｍより薄い場合にはク
ロム酸化物および酸化膜の生成が進まず、十分なセラミ
ックス化がなされないために所望の効果が得られない。

【００２３】なお、成形体中の構成粒子表面に施した酸
化膜は、焼結の後期において、粒界に集積するとともに
、の反応により、クロム、アルミニウム、およびチタンの
酸化を促して、焼結を促進する。

【００２４】なお、成形体中の構成粒子表面に酸化膜を
施すために、大気中で１００℃〜３００℃、好適には１
３０℃〜２５０℃の温度範囲で熱処理を施した。

【００２５】前記熱処理の後、焼結以前の吸着酸素の系
外除外と、粒子表面酸化膜の均質化を目的として毎分１
０ｍｌ〜３００ｍｌの流量の窒素雰囲気下で焼結を行う
。前記流量は、それ以上であると炉内温度分布が大きく
均質性に欠け、それ以下であると所望の効果が得られな
い。

【００２６】焼結温度は、９５０℃〜１０６５℃の温度
範囲で３０分以上６時間以下の範囲で行う。

【００２７】前記焼結温度は、９５０℃以下では焼結が
進行し難く、１０６５℃以上では焼結体が軟化し変形を
生ずるとともに、銅成分が気化し、次いで凝固すること
により絶縁破壊をきたし、作業者を感電させる危惧があ
る。

【００２８】

【実施例】次に、本発明に係る電極素材および電極素材
の製造方法について好適な実施例を挙げ、添付の図面を
参照しながら以下詳細に説明する。実験例１母材となる主成分として平均粒径４４μｍの電気銅粉末
を全体重量に対して９８．６重量％、添加材として、平
均粒径０．８μｍのクロム粉末を全体重量に対して０．
８重量％、平均粒径２．４μｍのアルミニウム粉末０．
４重量％、平均粒径１．８μｍのチタン粉末０．２重量
％となるよう夫々秤量して原料粉末とした。

【００２９】前記原料粉末にエタノールを加え、ボール
ミルを用いて湿式混合を行い、前記クロム粉末、アルミ
ニウム粉末、チタン粉末を電気銅粉末中に分散混合させ
た。

【００３０】次に前記エタノールの含量を１２％から１
３％程度に調整し、一軸プレスにより２２×２２×７５
ｍｍの形状の予備成形体を成形した。

【００３１】前記予備成形体を８０℃で４時間乾燥し、
その後１１０℃で１時間、２１０℃で４時間大気中で熱
処理を施し、前記予備成形体を構成する粒子表面に０．
００１μｍから０．０１μｍ程度の酸化膜を得た。

【００３２】次いで、毎分４０ｍｌの流量の窒素雰囲気
下で６５０℃まで毎分１０℃の割合で昇温し、６５０℃
で３０分間保持し、窒素流量を毎分１５ｍｌに減じて、
１０３０℃まで毎分１０℃の割合で昇温し、１０３０℃
で１時間保持し、さらに毎分３℃の割合で１０５５℃ま
で昇温し、１５分間保持して焼結を行った。

【００３３】焼結終了後、炉冷し、アルゴン雰囲気下１
０００℃で２時間溶体化した後に油冷し、窒素雰囲気中
５００℃で２時間時効して焼結体を得た。

【００３４】以上の製造方法により得た焼結体を試験材
として以下の各種試験を行った。先ず、溶接性試験につ
いて説明する。加圧力２００ｋｇｆ／ｃｍ２　、直流１
００００Ａ、１０サイクルの溶接条件で、両面に４５／
４５ｇ／ｍ２　の亜鉛めっきが施された板厚０．８ｍｍ
の鋼板を二枚重ねにした溶接金属を用いて、連続打点性
と、溶接金属への溶着性を試験した。

【００３５】なお、前記焼結体を用いたチップは、試験
時には水冷した。また、比較例として、酸化アルミニウ
ム分散銅を用いた。

【００３６】さらに、板厚２ｍｍのアルミニウム板材（
ＪＩＳＡ５０５２Ｐに相当）二枚重ねで、加圧力７００
ｋｇｆ／ｃｍ２　、直流３５０００Ａで連続打点性と、
溶接金属の溶着性を調べた。比較例としては、０．８重
量％のＡｌ２　Ｏ３　を有するＡｌ２　Ｏ３　分散銅の
他に市販のクロム銅を用いた。

【００３７】その結果を亜鉛めっき鋼板の場合を表１に
、アルミニウム板材（ＪＩＳＡ５０５２Ｐに相当）の場
合を表２に示す。表１および表２から明らかなように、
連続打点数は１．７倍に向上し、溶着性は１４．３％か
ら０に低減した。

【００３８】密度については、アルキメデス法で測定し
、比較例が８．６５であるのに比して、試験例は８．９
２と向上した。

【００３９】硬度は、ロックウエル鋼球にて測定し、比
較例がＨＲＢ７２であるのに比して、試験例はＨＲＢ６
３と８７．５％の硬度を有した。

【００４０】化学分析値は、Ｃｕ　　９８．１％、Ｃｒ
　　１．５％、Ａｌ　　０．４％、Ｔｉ０．２％、Ｏ２
　　　０．９％を示し、酸素の含有を確認した。この結
果より、の反応系が成立し、熱処理により酸化膜を被覆
された銅粒子が、焼結によりクロム、アルミニウム、チ
タンとの間で電子の授受を生じ、クロム、アルミニウム
、チタンを酸化することにより、連続打点性の向上を招
いたと諒解される。

【００４１】結晶性については、ＦｅＣｌ３　−ＨＣｌ
３　混液でエッチングして観察した。その結果、比較例
はファイバー状であるのに比して、試験材は緻密な結晶
組織が観察された。

【００４２】電子顕微鏡を用いた組織の観察においては
、銅の結晶粒にセラミックス成分の析出が観察され、ク
ロムのセラミックス析出過程で酸化析出されたものと諒
解される。また、析出成分と銅結晶粒との密着が観察さ
れ、拡散を伴う化学的結合であることが諒解される。

【００４３】酸化物の同定には、微小焦点Ｘ線解析法を
用い、Ｃｒ２　Ｏ３　、ＴｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　、
微量なＣｒＯ２　、ＴｉＯを特定した。

【００４４】なお、当該実験例では、アルミニウム並び
にチタンの酸化物の原料として、夫々金属アルミニウム
粉末、金属チタン粉末を用いたが、工程の合理性を考え
て、初めから酸化物の形態としての添加も可能である。実験例２前記実験例１と同質の原料粉末を用い、表３並びに表４
に示した第１例から第３５例の組成比からなる原料粉末
にエタノールを加え、ボールミルを用いて５日間湿式混
合を行い、前記クロム粉末を電気銅粉末中に分散混合さ
せた。

【００４５】次いで、実験例１と同様の方法で予備成形
体を成形し、８０℃で乾燥した後、表３並びに表４に示
した第１例から第３５例の各々の操作に従って焼結体を
得た。

【００４６】前記第１例から第３５例の焼結体を試験材
として用いて、実験例１と同一の試験を行い、その結果
を表５並びに表６に示した。前記試験結果を総合的に判
定する時、クロム添加量が０．４重量％以上３．０％以
下（好適には０．８重量％以上２．４重量％以下）、ア
ルミニウム添加量が０．０５重量％以上１．２重量％以
下（好適には０．１重量％以上０．８重量％以下）、チ
タン添加量が０．０３重量％以上１．０重量％以下（好
適には０．０５重量％以上０．６重量％以下）である時
に実用に供するに適すると判定される。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【表２】

【００４９】

【表３】

【００５０】

【表４】

【００５１】

【表５】

【００５２】

【表６】

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る電極素材お
よび電極素材の製造方法によれば、亜鉛めっきを施した
溶接金属およびアルミニウム合金等の溶接に際して、機
械的強度と、導電性を向上させるとともに、溶接金属と
の溶着性を極度に低減化することにより電極の寿命の延
長が図れる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のＣｒ−Ｃｕ系合金を用いた電極チッ
プを示す側面図である。

【図２】従来技術のＣｒ−Ｃｕ系合金を用いた電極チッ
プの先端部拡大図である。

【図３】従来技術の酸化アルミニウム分散銅を用いた電
極チップを示す側面図である。

【図４】従来技術の酸化アルミニウム分散銅を用いた電
極チップの先端部拡大図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅を母材料として、全体重量に対して０．
４重量％以上３．０重量％以下の組成範囲を有するクロ
ム、あるいは１ｇ中に４ｍｇ以上３０ｍｇ以下の割合で
含有されるクロムと、全体重量に対して０．０５重量％
以上１．２重量％以下の組成範囲を有するアルミニウム
、あるいは１ｇ中に０．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下の割合
で含有されるアルミニウムと、全体重量に対して０．０
３重量％以上１．０重量％以下の組成範囲を有するチタ
ン、あるいは１ｇ中に０．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下の割
合で含有されるチタンと、からなり、且つ前記クロムの
一部をセラミックス化し、前記アルミニウム並びに前記
チタンの少なくとも一部をセラミックス化して得た析出
分散強化材を有することを特徴とする電極素材。
【請求項２】請求項１記載の電極素材において、析出分
散強化材は、ＣｒＯ、ＣｒＯ２　、Ｃｒ２　Ｏ３　、Ａ
ｌ２　Ｏ３　、ＴｉＯ、ＴｉＯ２　からなる群から選ば
れた少なくとも一種類以上の酸化物であることを特徴と
する電極素材。
【請求項３】請求項１または２記載の電極素材において
、電極素材中の酸素含有量は、０．０５重量％以上１．
５重量％以下の組成範囲、あるいは１ｇ中に０．５ｍｇ
以上１５ｍｇ以下の割合であることを特徴とする電極素
材。
【請求項４】主成分である電気銅粉末と、全体重量に対
して０．４重量％以上３．０重量％以下の組成範囲を有
するクロム粉末、あるいは１ｇ中に４ｍｇ以上３０ｍｇ
以下の割合で含有されるクロム粉末と、全体重量に対し
て０．０５重量％以上１．２重量％以下の組成範囲を有
するアルミニウム粉末、あるいは１ｇ中に０．５ｍｇ以
上１２ｍｇ以下の割合で含有されるアルミニウム粉末と
、全体重量に対して０．０３重量％以上１．０重量％以
下の組成範囲を有するチタン粉末、あるいは１ｇ中に０
．５ｍｇ以上１２ｍｇ以下の割合で含有されるチタン粉
末とを含有する原料粉末を、湿式混合して前記電気銅粉
末中に分散させた後、前記原料粉末を加圧成形して成形
体を得る第１の工程と、前記第１工程で得た成形体に１
００℃以上３００℃以下の温度範囲で熱処理を施し、酸
化膜を有する成形体を得る第２の工程と、前記第２工程
で得た成形体に不活性ガス雰囲気下で９５０℃以上１０
６５℃以下の温度範囲で焼結処理を施し、前記クロム粉
末の表面の一部、および前記アルミニウム粉末並びに前
記チタン粉末の少なくとも一部をセラミックス化し析出
分散強化材を得る第３の工程と、を有することを特徴と
する電極素材の製造方法。