JPS61266535A - 銅基複合材料 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、導電材料、伝熱材料、耐摩材料。

耐食材料、金型材料等々の幅広い用途に使用することが
できる銅基複合材料に関するものである。

（従来の技術） 銅または銅合金はその機械的特性以外に優れた電気的特
性、熱的特性、摺動特性、耐食性等を有しているため、
従来より導電材料、伝熱材料、耐摩材料、耐食材料、金
型材料等に広く使われている。近年２このような銅また
は銅合金の使用環境や要求性能がますます厳しくなって
きており、必要な導電性、伝熱性、＃摩耗性、耐食性等
の特性を維持したままで、更に強度および耐熱性等の向
上が望まれている。

このような要望に基いて従来より種々の強化法が考えら
れており、従来の合金組成と熱処理との組合わせによる
強化法のほかに１例えば、他の金属やセラミックス等と
の複合化による強化法があり、具体的には粒子分散強化
、あるいはｍ雑強化といった方法がある０例えば、粒子
分散強化の例としては、内部酸化法により微細なＡｆＬ
２０３をＣｕマトリックス中に分散させたＣｕ５Ａ文２
０３合金があり、耐熱導電材料として使用されている。

一方、繊維強化による方法も強化効果が大きくかつ異方
性を持たせ易いといった利点があるため今後有望である
が、未だＡ１合金の強化に一部採用されている程度であ
る。その理由は、主に強化用ｍｓとして使用されるセラ
ミックスｍｌａが高価なためであり、また、このセラミ
ックス繊維はマトリックス金属とのぬれ性が悪いことか
ら、通常は何んらかの表面処理を施す必要があることか
ら一層高価となるためである（例えば、日経メカニカル
１９８３年１月３１号の第２７頁にａｍ強化金属の記載
がある）。

これに対し、強化材として例えば炭素鋼やステンレス鋼
のような金属繊維や線材を強化材として用いる場合は、
素材自体が安価であり、また、マトリックス金属とのぬ
れ性も良好であるので特に前処理も必要としないため全
体として安価なものにできるが、この金属ｒａｍや線材
を複合化する時に受ける熱により強化材が軟化するため
１強化材として用いる場合の効果が低減してしまうため
に不適当であると考えられていた。

この発明は、このような背景に鑑みてなされたものであ
り、従来は強化材としては不適当であるとされていた炭
素鋼やステンレス鋼などの鉄系材料からなる繊維あるい
は線材を強化材とし、マトリックスを銅または銅合金か
らなるものとしてこのマトリックス中に前記強化材を複
合化し、適切な熱処理を加えることにより安価でかつ強
度および靭性の高い銅基複合材料を提供することを目的
としている。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） この発明による銅基複合材料は、マトリックスが銅また
は銅合金からなり、前記マトリックス中に熱処理による
強靭化が可能である鉄系材料からなる強化材を含み、前
記マトリックス中への前記強化材の複合化後に熱処理を
施してなることを特徴とするものである。

この発明の一実施態様における銅基複合材料にあっては
、マトリックスが銅または銅基合金からなり１強化材が
炭素鋼、低合金鋼あるいはマルテンサイト系ステンレス
鋼（例えば、Ｃｒ含有量が１１〜１８重量％）等の鉄系
材料の繊維または線材からなり、前記マトリックス中へ
の前記強化材の複合化後に熱処理として焼入れ処理を施
し、前記鉄系材料からなる強化材をマルテンサイトある
いはベイナイトを含む組織であるようにしたことを特徴
としている。また、必要に応じて焼もどし処理を行って
ソルバイト組織であるようにしたことを特徴としている
。

この発明の他の実施態様における銅基複合材料にあって
は、マトリックスが時効析出型の銅合金、例えばＣｒ、
Ｚｒ、Ｓｉ　、Ｃｏ、Ｂｅ。

Ａｉ、Ｎｉ　、Ｔｉ　、Ｃｄ、Ａｇ、Ｍｇのうちの１種
または２種以上を含む銅合金からなり、強化材が炭素鋼
、低合金鋼あるいはマルテンサイト系ステンレス鋼等の
鉄系材料の繊維または線材からなり、前記マトリックス
中への前記強化材の複合化後に熱処理を施して、前記マ
トリックスの溶体化処理と強化材の焼入れ処理とを同時
に行い１次いでマトリ−２クスの時効析出処理と強化材
の適度な焼もどし処理とを同時に行って、マトリックス
および強化材の強度および靭性を高めた組織であるよう
にしたことを特徴としている。

この発明のさらに他の実施態様における銅基複合材料に
あっては、マトリックスが上述したような時効析出型の
銅合金であり、強化材が析出硬化型ステンレス鋼（例え
ば、ＪＩＳ　　５ＵＳ６３０相当材等）のｆａ維または
線材からなり、前記マトリックス中への前記強化材の複
合化後に熱処理を施して、前記マトリックスおよび強化
材の溶体化処理を同時に行い、次いでマトリックスおよ
び強化材の時効処理を同時に行うことによって、マトリ
ックスおよび強化材の強度および靭性を高めた組織であ
るようにしたことを特徴としている。

ところで、繊維・線材強化型複合材料に用いられる強化
用の繊維・線材に要求される性能としては。

■強度（硬さ）が高いこと、 ■マトリックス金属とのぬれ性が良好なこと。

■マトリックス金属と反応して脆弱な化合物を界面に形
成しないこと、 といった項目が挙げられるが、ある程度の量産品に適用
する場合には、当然ことながら価格が低く供給が安定な
こと、さらには使用済後の廃棄および再使用が可能なこ
と、といった項目が重要になってくる。

この発明において用いられる炭素鋼、低合金鋼、ステン
レス鋼繊維・線材は、通常の繊維強化金属によく用いら
れるセラミックス繊維に比べてかなり安価でありまた供
給も安定している。また、同じ金属である銅合金に対し
て当然ぬれ性は良好であり、かつまた主元素であるＦｅ
はＣｕとの間で化合物を形成しない、さらにまた、Ｆｅ
は比重もＣｕに近いため複合化した場合に均一に分散し
易い、このように、Ｆｅ、：Ｃｕとの間には上記したよ
うな利点があり、強度が保証されれば安価な銅基複合材
料が得られる。

一般にマトリックス中へ強化材を複合化する際には高温
にさらされるため、金属繊維中線材を強化材として用い
た場合には焼なまし熱処理を受けたのと同じことになり
、軟化して強度が低下し、強化材としては効果的でなく
なるが、この発明においては、炭素鋼、低合金鋼、マル
テンサイト系ステンレス鋼、析出硬化型ステンレス鋼は
適切な熱処理によって適当な強度、硬さおよび靭性等を
付与できることに着目してこの発明を完成した。

前述したように、この発明の一実施態様における銅基複
合材料にあっては、マトリックスが銅または銅基合金か
らなり、強化材が炭素鋼、低合金鋼あるいはマルテンサ
イト系ステンレス鋼等の鉄系材料のｍｌａまたは線材か
らなり、前記マトリックス中への前記強化材の複合化後
に熱処理として焼入れ処理を施し、前記鉄系材料からな
る強化材をマルテンサイトあるいはベイナイトを含む組
織であるようにしたことを特徴としている。

すなわち、上記のように、炭素鋼、低合金鋼あるいはマ
ルテンサイト系ステンレス鋼等の鉄系材料からなる繊維
−線材を強化材として銅または銅合金と複合化したのち
に、強化材のオーステナイト化温度以上でかつ銅または
銅合金の融点以下の温度に加熱し、その後急速に冷却さ
せることにより強化材中にマルテンサイトやベイナイト
組織を出現させることによって強度・硬さを付与するこ
とができる。また、必要に応じて焼もどし処理を施して
靭性をより一層向上させるようにすることもできる。そ
して、上記の変態は体積膨張を伴うためマトリックスと
の密着力も向上し、複合材料としての強度は更に向上す
るといった利点もある。

この場合の強化材は、通常の焼入れ処理によってオース
テナイト→マルテンサイト、あるいはベイナイト変態す
るものであればよく、一般的な炭素鋼、低合金鋼やＣｒ
を１１〜１８％程度含有するマルテンサイト系ステンレ
ス鋼のｍｔａ−線材が用いられる。

前記したように、マトリックス中に強化材を複合化した
後の焼入れ温度は、前記強化材がオーステナイトに変態
する温度以上でかつマトリックスが溶融する温度以下で
あればよい、この場合の加熱保持時間は複合体の容積に
よって異なるが、銅あるいは銅合金は熱伝導がよく、強
化材との界面での密着が良好であれば短時間でよい、さ
らに、加熱中の酸化・脱炭を避けるために雰囲気は真空
あるいは非酸化性とすることがより一層望ましい、さら
にまた、加熱後の急速冷却は通常の焼入れと同様の方法
でよい、そして、ベイナイト組織とするために、必要に
応じて恒温変態処理を適用することもよい。

前述したように、この発明の他の実施態様における銅基
複合材料にあっては、マトリックスが時効析出型の銅合
金からなり１強化材が炭素鋼、低合金鋼あるいはマルテ
ンサイト系ステンレス鋼等の鉄系材料のｍ維または線材
からなり、前記マトリックス中への前記強化材の複合化
後に熱処理を施して、前記マトリックスの溶体化処理と
強化材の焼入れ処理とを同時に行い、次いでマトリック
スの時効析出処理と強化材の適度な焼もどし処理とを同
時に行って、マトリックスおよび強化材の強度および靭
性を高めた組織であるようにしている。

上記した時効析出型の銅合金としては１代表的なものに
、Ｃｕ−Ｃｒ合金があり、導電材としてよく使用されて
いる。このＣｕ−Ｃｒ合金は、通常の場合的９５０〜１
０３０℃で溶体化処理し、約４００〜５００℃で時効処
理を行うが、この溶体化処理温度は強化材の焼入れ可能
な温度である。また１時効処理は必要に応じて強化材が
過度に焼もどしを受けない温度および時間で行えばよい
、そして、その他の時効析出型の銅合金をマトリックス
とする場合においても同様に強化材の焼入れ可能な温度
で急速冷却をして強化材の焼入れとマトリックスの溶体
化処理とを同時に行い、次に必要に応じて強化材が過度
に焼もどしを受けない温度で熱処理をしてマトリックス
を時効硬化させることにより、マトリックスおよび強化
材ともに強度が高く靭性の優れた複合材料が得られる。

これらの時効析出型の銅合金としては、Ｃｕ中にＣｒ以
外にＺｒ、ＳＬ　、Ｃｏ、Ｂｅ、Ａｉ。

Ｎｉ　、Ｔｆ　、Ｃｄ、Ａｇ１Ｍｇ等を含むＣｕ合金が
ある。

この発明のさらに他の実施態様における銅基複合材料に
あっては、マトリックスが上述したような時効析出型の
銅合金であり、強化材が析出硬化型ステンレス鋼の繊維
または線材からなり、前記マトリックス中への前記強化
材の複合化後に熱処理を施して、前記マトリックスおよ
び強化材の溶体化処理を同時に行い１次いでマトリック
スおよび強化材の時効処理を同時に行うことによって、
マトリックスおよび強化材の強度および靭性を高めた組
織であるようにしている。

この場合、強化材は銅合金の融点以下の温度で溶体化処
理が可能な材質であることが必要である０例えば、析出
硬化型ステンレス鋼であるＪＩＳ　　ＳＵＳ　　６３０
は溶体化処理温度が約１０２０〜１０７０℃９時効処理
温度が約４３０〜６２０℃である。一方、マトリックス
となる銅合金は非熱処理型でもよいが、時効析出型の方
がより高強度の複合材料が得られる。その場合は、上記
強化材と同じ温度で溶体化処理および時効析出処理が可
能な材質であることが必要である０例えば、時効析出型
の銅合金であるＣｕ−Ｃｒ合金は前記したように溶体化
処理温度が約９５０〜１０３０℃２時効処理温度が約４
００〜５００℃である。同じく時効析出型の銅合金であ
るＣｕ−Ｚｒ合金は溶体化処理温度が約９５０〜１０２
０℃９時効析出処理温度が約３００〜５００℃である。

従って１強化材とマトリックスの熱処理を同時に行うこ
とが可能である。なお、こｉらの熱処理は酸化を避ける
ために真空あるいは非酸化性雰囲気であることがとくに
望ましい、このように、強化材の材質とマトリックス銅
合金の組合せは、同じ温度で溶体化処理、時効処理が可
能であるものを選べばよい。

（実施例１） この実施例では、マトリックスとして純Ｃｕを用い、強
化材として直径０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍである０、
４７重量％Ｃの硬鋼線（ＪＩＳＳＷＲＨ４７相当材）を
用いた。そしてまず、内面に断熱被覆を施した鋳型内に
１表面を清浄にした硬鋼線束をセットした。また、一方
では、炉中においてＣｕをその表面を木炭で覆った状態
で溶解し、Ｐを添加して脱酸した０次いで、溶融状態の
Ｃｕを鋳型内に注湯し、硬鋼線束の他端より直ちに吸引
して線材間にＣｕを溶浸させた。このとき、鋳込温度は
１２００℃１強化材含有率は１７％である。こうして得
られた複合材の断面状況を第１図に示す、第１図に示す
ように、マトリックスと強化材との密着状態はかなり良
好であることが認められる。〜方、強化材ｍ雑のミクロ
組織を第２図に示す、第２図に示すように、強化材は鋳
造時の熱によって焼なまし組織となっている。なお、こ
のときの強化材の硬さはＨｖ１７８〜２゜３であった。

次に、この複合材から試料を切り出し、Ｎ２ガス雰囲気
の炉中で９００℃、３０分間加熱保持、後水冷した６強
化ｍ維のミクロ組織を第３図に示す、第３図に示すよう
に、強化材はマルテンサイト組織になっており、硬さも
Ｈｖ６０２〜６３１と上昇しており、複合材料としての
強度も向上していることが確かめられた。

（実施例２） この実施例では、強化材として直径０．５ｍｍ、長さ１
００ｍｎｎ（７）１３重量％Ｃｒマルテンサイト系ステ
ンレスの鋼１（ＪＩＳ　　ＳＵＳ４１０相当材）を用い
、その他は実施例１と同じ条件で複合材を製作した。こ
の複合材中において、強化材は焼なまし組織となってお
り、硬さはＨｖ１４２〜１６８であった。

次に、上記の複合材から切り出した試料をＮ２雰囲気の
炉中に９５０℃で３０分間保持したのち油冷した。焼入
れ後の強化材の硬さはＨｖ４００〜４４０であった。こ
のようにして得た複合材料は、強化材が硬鋼線であった
実施例１のものに比べて強度は若干低いものの強化材と
してステンレス鋼を用いているため耐食性に優れたもの
であり、耐食性と靭性が要求される部位に適した複合材
料である。

（実施例３） この実施例では、マトリックスを時効析出型のＣｕ−１
，０１重量％Ｃｒ合金とし、その他は実施例１と同様に
して複合材を作製した。この複合材におけるマトリック
スの硬さはＨｖ１０５〜１２０であった０次に、この複
合材から切り出した試料をＮ２雰囲気中で１０００℃、
３０分間保持して水冷した。このときのマトリックスの
硬さはＨｖ８０〜８５であった０次に、やはりＮ２雰囲
気中で４５０℃、１時間保持の時効析出処理を施した０
時効処理後のマトリックス硬さはＨｖ１３５〜１５０で
あった。また、強化材の硬さはＨｖ３２０〜３４０であ
って適度に焼もどしがなされたものであり、実施例１の
場合に比べてマトリックス強度は高いものであった。

（実施例４） この実施例では、マトリックスとして時効析出型のＣｕ
−１，０１重量％Ｃｒ合金を用い、強化材として直径０
．１５ｍｍ、長さ１０ｍｍである析出硬化型のステンレ
ス鋼線材（Ｊ　Ｉ　Ｓ　　５ＵＳ６３０相当材）を用い
た。そして、まず、内面に断熱被覆を施した鋳型内に強
化材の成形体をセットした。なお、この成形体は軽くプ
レス成形して作製したものを用いた。また、一方では、
炉中においてＣｕ−Ｃｒ合金をその表面を木炭で覆った
状態で溶解し、Ｐを添加して脱酸した０次に、溶融状態
にあるＣｕ−Ｃｒ合金を鋳型内に注湯し。

成形体の他端より直ちに吸引して線材間にＣｕ−Ｃｒ合
金を溶浸させた。このとき、鋳込温度は１２００℃２強
化材含有率は２５％である。こうして得られた複合材の
マトリックスと強化材との界面の密着状況はかなり良好
であった。また、強化材の硬さはＨｖ２８０〜２７０．
マトリックスの硬さはＨｖ１０５〜１２０であった。

次に、この複合材から試料を切り出し、Ｎ２ガス雰囲気
の炉中で１０２０℃で４０分間保持した後水冷する溶体
化処理を行った０次いで、この試料を同じ＜Ｎ２ガス雰
囲気の炉中で４５０℃で３０分間保持する時効処理を行
った。この時の強化材の硬さはＨｖ４０５〜４２０．マ
トリックスの硬さはＨｖ１３５〜１５０であった。した
がって、強化材およびマトリックスともに熱処理前に比
べて各々の硬さが上昇しており、複合材料としての強度
も向上していることが確かめられた。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明による銅基複合材料
は、マトリックスが銅または銅合金からなり、前記マト
リックス中に熱処理による強靭化が可能である鉄系材料
からなる強化材を含み、前記マトリックス中への前記強
化材の複合化後に熱処理を施してなる構成としたもので
あるから、銅または銅合金のもつ優れた特性である導電
性、伝熱性、耐摩耗性、耐食性等の特性を維持したまま
で、さらに強度、靭性および耐熱性等の優れた銅基複合
材料をしかも安価に提供することが可能であり、導電材
料、伝熱材料、耐摩耗材料、耐食材料、金型材料等とし
て幅広く利用することができ、それらの性能ならびに耐
久寿命等をより一層高めることが可能になるという非常
に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図はこの発明の実施例１にお
いて製作した複合材料の各々マトリックスと強化材との
複合化直後のマクロ組織、ミクロ組織および熱処理後の
ミクロ組織を示す金属組織写真である。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　　小　　塩　　　　豊 第１図 第２図 （ＸＩＱＣす （Ｊｏｏ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）マトリックスが銅または銅合金からなり、前記マ
   トリックス中に熱処理による強靭化が可能である鉄系材
   料からなる強化材を含み、前記マトリックス中への前記
   強化材の複合化後に熱処理を施してなることを特徴とす
   る銅基複合材料。