JPS6239215B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、材料特性に優れた時効硬化性チタニ
ウム銅合金材料に関するものである。 時効硬化性のチタニウム銅合金材料は、従来よ
り、その優れた機械強度、導電性等の特徴を利用
して、薄板の導電バネ材として多用されており、
一般に、溶解、鋳造、熱間加工の後、焼鈍と冷間
加工を交互に繰り返して、所定の形状に加工した
上で、最終溶体化処理を行ない、その後、質別に
応じて更に冷間加工を施し、そして時効硬化処理
を行なつて製造されている。また、このような工
程を経由して製造される従来の時効硬化性チタニ
ウム銅合金材料にあつては、その溶体化組織は、
平均結晶粒径が40μｍ以上であり、甚しい場合に
は、100μｍにも達するものであつた。 しかしながら、このような時効硬化性のチタニ
ウム銅合金材料は、よく知られた、同じく時効硬
化性のベリリウム銅合金材料に対抗する、経済的
に安価な材料として開発されてきているものであ
るが、その成形性、バネ寿命、伸び、耐力等の材
料特性において未だ充分でなく、その更なる改良
が望まれている。しかも、従来の時効硬化性チタ
ニウム銅合金材料においては、その製造工程にお
いて加えられる圧延操作によつて、その圧延方向
における材料特性と圧延方向とは直角な方向にお
ける材料特性とが異なるという欠点が内在してい
るのである。 ここにおいて、本発明は、かかる事情に鑑みて
為されたものであつて、本発明者らの詳細な検討
により、時効硬化性チタニウム銅合金材料の金属
組織における平均結晶粒径を所定の値以下と為す
ことにより、かかる材料特性が著しく改善され、
しかもその特性のバラツキを極めて少なく為し得
ることを見い出したことに基づいて、完成された
ものである。 すなわち、本発明は、成形性、バネ寿命、伸
び、耐力等の材料特性に優れ、且つその材料特性
のバラツキの少ない時効硬化性チタニウム銅合金
材料を提供することをその目的とするものであつ
て、そしてそのために、重量で２〜６％のチタニ
ウムと、残部が主として銅からなる時効硬化性チ
タニウム銅合金の銅合金材料において、母相であ
るα相中に第二相であるCu₃Ti析出物が微細に均
一に分散析出せしめられてなり、且つ平均結晶粒
径が25μｍ以下である溶体化組織を有するように
したことを特徴とするものである。 このように、本発明にあつては、時効硬化性チ
タニウム銅合金の加工材の組織において、その平
均結晶粒径が25μｍとなるように管理、整粒する
ようにしたものであつて、これにより、成形性、
バネ寿命、伸び、耐力等の材料特性の向上と共
に、その特性のバラツキ、換言すれば溶体化処理
後に冷間圧延が施された材料にあつては、その圧
延方向とそれとは直角な方向とにおける材料特性
の変化を極めて小さくする等、著しい特性向上と
特性安定化を図り得たのである。 ここにおいて、本発明でチタニウム銅合金材料
の組織の平均結晶粒径を25μｍ以下と限定したの
は、平均結晶粒径が40μｍ或いはそれ以上である
従来の実用時効硬化性チタニウム銅合金材料に対
し、著しい特性向上効果を発揮させるためには、
25μｍ以下の平均結晶粒径にコントロールする必
要があることが見い出されたからであり、そのよ
うな平均結晶粒径が25μｍを超えるようになる
と、成形性、バネ寿命、伸び等の材料特性が特に
目立つては改善されないのであり、また特性のバ
ラツキも大きくなつてしまうのである。なお、本
発明の目的を最大限に発揮させるためには、かか
る平均結晶粒径を15μｍ以下とすることが望まし
い。また、かかる平均結晶粒径の下限は、その製
造可能限界であるが、一般に２μｍ程度である。 また、かかる本発明において目的とする時効硬
化性チタニウム銅合金材料を与える合金組成は、
一般に、重量で２〜６％、好ましくは３〜５％の
チタニウム（Ti）と、残部が主として銅（Cu）
からなるもの（銅基合金）であつて、チタニウム
の含有量が２％未満では時効硬化の効果は殆どな
く、また６％を超えるようになると、チタニウム
の含有量に見合つた時効硬化量が得られないので
ある。なお、２〜６％のチタニウムと共に、他の
合金成分を銅に添加した公知の合金も、用いるこ
とが出来る。例えば、Fe、Zr、Cr、Ｂ、Si等を
添加した公知の銅合金についても適用可能であ
る。 ところで、かかる本発明に従う時効硬化性チタ
ニウム銅合金材料は、以下の如き手法に従つて好
適に製造することが可能である。 すなわち、上記チタニウム銅合金組成を与える
材料から、まず、従来のCu−Ti合金材料の製造
手法に従う溶解、鋳造操作によつて該銅合金鋳塊
が製造され、そしてこの鋳塊に、従来と同様に熱
間鍛造や熱間圧延等の熱間加工が施され、また必
要ならば、かかる得られた熱間加工材料に対して
更に冷間圧延の如き冷間加工が施されて、所定形
状のチタニウム銅合金材料が形成される。 次いで、このような所定の加工が施されたチタ
ニウム銅合金材料に対して、焼鈍温度が固溶限以
下で且つ再結晶温度以下の焼鈍処理、所謂中間焼
鈍処理が施されることとなる。この中間焼鈍処理
は、従来の焼鈍処理とは異なり、低温で行なうも
のであつて、これにより第二相（Cu₃Ti析出物）
が母相（α相）中に微細且つ均一に分散析出せし
められるのである。なお、ここでは、母相とは銅
チタニウム（Cu−Ti）系二元状態図におけるα
相を意図し、また第二相とは金属間化合物である
Cu₃Ti析出物を意図し、更には固溶限とは（α＋
Cu₃Ti）相とα相との境界を意図するものであ
る。 なお、この中間焼鈍処理における焼鈍条件に関
して、固溶限以下で且つ再結晶温度以下の焼鈍温
度を採用することとしたのは、かかる第二相を母
相中に析出せしめ、微細且つ均一に分散した状態
とするためである。けだし、焼鈍温度が固溶限を
超えると、第二相は母相中に析出せず、また固溶
限以下であつても、再結晶温度を超えると、(a)母
相の結晶粒の成長が始まり、(b)母相中に析出する
第二相が粗くなり、且つ析出量も減少するところ
から、第二相が微細、均一に分散した状態が得ら
れなくなるからである。 そして、この中間焼鈍処理によつて、第二相を
母相中に微細且つ均一に分散析出せしめることに
より、後の最終溶体化処理時において、母相の結
晶粒の粗大化を防ぎ、以て目的とする溶体化組織
の平均結晶粒径を効果的に25μｍ以下とすること
が出来るのである。これに対して、第二相が母相
中に、均一に分散していない状態で溶体化処理を
行なうと、母相の結晶粒が不均一となり、またそ
の粗大化が惹起されるのである。 なお、このような中間焼鈍処理において、チタ
ニウム銅合金材料を固溶限以下で且つ再結晶温度
以下の焼鈍温度に保持し、第二相を母相中に微細
且つ均一に分散析出させるための、具体的条件た
る温度及び時間としては、材料のチタニウムの含
有量や加工履歴等によつて種々異なり、一義的に
規定することは困難であるが、一般に、かかるチ
タニウム銅合金材料を500℃〜700℃の温度に１時
間〜20時間保持する条件が、好適に採用されるこ
ととなる。 次いで、このような焼鈍処理が施されたチタニ
ウム銅合金材料には、更に冷間加工が施されるか
或いはそのような冷間加工が施されることなく、
最終溶体化処理が施されることとなるが、その
際、かかる材料中の第二相は、その析出状態が微
細且つ均一に母相中に分散した状態であるところ
から、溶体化処理の為の昇温時に母相の結晶粒が
不均一に粗大化することが効果的に防止せしめら
れると共に、溶体化温度（固溶限以上且つ再結晶
温度以上の温度）領域にて迅速且つ均一に母相中
に固溶するようになり、そのため溶体化温度での
保持時間は、従来の時効硬化性チタニウム銅合金
材料の製造工程における溶体化処理に比べて、極
めて短時間でよく、従つて第二相を母相に充分に
固溶させても、結晶粒は粗大化が起こり難く、そ
の結果、溶体化組織が25μｍ以下の平均結晶粒径
とされたチタニウム銅合金材料が、容易且つ有利
に得られるのである。 なお、かかる最終溶体化処理は、固溶限以上且
つ再結晶温度以上の溶体化温度において、所定時
間、一般に母相中に析出した第二相が完全に固溶
した直後か又はそれ以前の溶体化処理を終了する
ような条件下において実施され、これによつて、
平均結晶粒径が25μｍ以下である溶体化組織を有
するチタニウム銅合金材料が有利に形成されるこ
ととなるが、この溶体化処理における保持時間、
換言すれば溶体化時間は、具体的にはチタニウム
銅合金材料の組成、板厚、大きさ、第二相の大き
さ、加工の有無等によつて変化させるべきもので
あるところから、材料に応じて適宜に決定される
こととなる。例えば、薄板状のチタニウム銅合金
材料の場合にあつては、そのような溶体化処理時
間は３分以内とされ、またその板厚が厚い等の場
合にあつては、30分〜１時間の溶体化処理が必要
となる場合もある。 そして、そのような最終溶体化処理によつて実
質的に充分な溶体化が行なわれて、その溶体化組
織の平均結晶粒径が25μｍ以下とされたチタニウ
ム銅合金材料には、常法に従つて、質別に応じて
冷間圧延等の加工が施された後、通常の時効硬化
処理、例えば300℃〜500℃で30分〜３時間保持す
ることによつて、目的とする最終製品とされるこ
ととなるのである。 本発明は、このようにして得られる時効硬化性
チタニウム銅合金材料において、その平均結晶粒
径を25μｍ以下とするものであり、それは一般に
溶体化組織のものである他、溶体化処理された材
料に更に冷間加工及び／又は時効硬化処理などの
加工乃至は処理を施して得られるチタニウム銅合
金材料においてその組織を25μｍ以下の平均結晶
粒径のものとしたものであつてもよい。 そして、かくして得られる本発明に従う時効硬
化性チタニウム銅合金材料にあつては、平均結晶
粒径が25μｍ以下である組織を有するものである
ところから、成形性、バネ寿命、伸び、耐力の向
上と共に、溶体化処理後において冷間圧延を加え
たもの或いは冷間圧延と共に時効硬化処理を施し
たものにあつては、圧延方向とそれに直角な方向
における材料特性のバラツキが著しく小さい等
の、優れた特徴を有する極めて信頼性の高い材料
である。 しかも、そのような材料には、特に伸びに関し
て、圧延方向とは直角な方向における伸びが圧延
方向におけるそれに対して20％以内の変化割合内
におけるそれに対して20％以内の変化割合内にあ
るものであり、また曲げ成形性において、圧延方
向とそれは直角な方向における曲げ成形性が実質
的に変わらない、換言すれば90゜曲げ成形性にお
いて、圧延方向における値に対する、圧延方向と
は直角な方向における値が、50％以下の変化割合
内にある均一な材料特性を有するものであつて、
実用上、方向性のない時効硬化性チタニウム銅合
金材料として有利に使用され得るものである。 以下、本発明を更に具体的に明らかにするため
に、本発明の実施例を幾つか示すが、本発明が、
かかる実施例の記載によつて何等制限的に解釈さ
れるものではないこと、言うまでもないところで
ある。 実施例 １ 重量で4.0％のTiを含有し、残部がCu及び不可
避的不純物の組成を有するチタニウム銅合金を、
常法に従つて溶解、鋳造し、そして得られた鋳塊
を熱間鍛造、熱間圧延することにより、板厚：
1.2mmの板材を得た。次いで、この板材を800℃の
温度にて10分間保持した後、水冷し、更に続いて
冷間圧延を行なつて、板厚が0.5mmの冷間圧延材
を得た。 そして、この冷間圧延材に対して650℃の温度
で８時間の保持（中間焼鈍）を行なうことによ
り、第二相が多量且つ球状に微細且つ均一に分散
した状態の金属組織を有する焼鈍材を得た。次い
で、この焼鈍材を830℃の温度にて５秒間保持し
た後、水冷する（最終溶体化処理）ことにより、
第二相が母相中に充分に固溶した、平均結晶粒径
が10μｍの均一な溶体化組織を有する銅合金板材
を得た。 一方、前記時効硬化性チタニウム銅合金からな
る板厚が0.5mmの冷間圧延材に対して、650℃にお
ける熱処理を行なうことなく、直ちに830℃の温
度にて保持する最終溶体化処理を行なつた場合、
第二相が母相中に充分に固溶した、実質的に充分
な溶体化組織とするためには、３分の保持時間が
必要であつた。また、このような３分の溶体化処
理を施した後水冷した材料にあつては、母相の平
均結晶粒径は40μｍであつた。 そして、上記において得られた平均結晶粒径が
10μｍ及び40μｍの溶体化組織を有する二つの銅
合金板材（板厚：0.5mm）に対して、それぞれ板
厚が0.3mmになるまで冷間圧延（加工率40％）を
行ない、それぞれＨ材を得た。また、かかるＨ材
に対して、更にその後、400℃の温度にて２時間
の時効硬化処理を行なうことにより、それぞれ
HT材を得た。そして、これら得られたＨ材及び
HT材について、それらの硬度、引張り強さ、0.2
％耐力、伸び、90゜曲げ成形性（板材を90゜曲げ
た場合における板厚に対する曲げ半径の比）につ
いて測定を行ない、その結果を下記第１表及び第
２表に示した。 第１表及び第２表の結果から明らかなように、
平均結晶粒径が10μｍである組織を有する本発明
に従うチタニウム銅合金板材は、平均結晶粒径が
40μｍの板材に比べて同等の硬度であるにも拘わ
らず、引張強さ、0.2％耐力、伸び、曲げ成形性
において優れた値を示し、しかも圧延方向による
特性値の差も著しく小さいものであつた。すなわ
ち、圧延方向（０゜）と圧延方向に直角な方向
（90゜）におけるそれぞれの物性値の差は、平均
結晶粒径が40μｍのものに比べて、平均結晶粒径
が10μｍのものにおいては、極めて小さく、実質
的に同一とみなし得るべきものであり、実用上、
方向性のない均一な時効硬化性チタニウム銅合金
材料であることが認められた。

【表】

【表】 実施例 ２ 実施例１において得られた板厚が0.5mmの冷間
圧延材に対して、下記第３表に示される中間焼鈍
処理と最終溶体化処理の各種の組合せからなる処
理を施すことにより、種々なる平均結晶粒径を有
する、第二相がミクロ組織的に充分固溶した溶体
化組織よりなる、板厚が0.3mmのチタニウム銅合
金板材を得た。なお、何れの試料にあつても、中
間焼鈍処理をした後、40％の加工率で冷間加工を
行ない、その後に所定の最終溶体化処理が行なわ
れている。 次いで、この溶体化処理の施された平均結晶粒
径の異なる各種のチタニウム銅合金板材に対し
て、冷間加工を行ない、板厚が0.15mmの板材とし
た後、400℃の温度にて２時間の時効硬化処理を
行なつて、それぞれの機械特性を測定した。測定
結果を、下記第４表に示す。なお、各板材におけ
る平均結晶粒径は、冷間加工、時効硬化処理が施
された後においても、実質的な変化が認められな
かつた。

【表】

【表】

【表】 かかる第３表と第４表の結果から明らかなよう
に、時効硬化処理の施されたチタニウム銅合金材
料において、その硬度は、結晶粒径にかかわらず
同等のレベルか、若しくは結晶粒径が小さくなる
に従つてやや劣るようになるが、その引張り強さ
は同等か、若しくは結晶粒径が小さくなるに従つ
て向上され、また0.2％耐力、伸び、90゜曲げ成
形性にあつては、結晶粒径が小さくなるにつれて
順次向上し、特に25μｍ以下の結晶粒径の溶体化
組織を有する材料においては、その効果は極めて
著しくなるのである。 また、それら測定値の圧延方向によるバラツキ
も、結晶粒径が小さくなるにつれて少なくなり、
10μｍ以下の結晶粒径の溶体化組織が与えられた
材料にあつては、圧延方向とそれとは直角な方向
における物性差が殆どなくなり、実質的に方向性
のない材料と認められるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で２〜６％のチタニウムと、残部が主と
   して銅からなる時効硬化性チタニウム銅合金材料
   にして、母相であるα相中に第二相であるCu₃Ti
   析出物が微細に均一に分散析出せしめられてな
   り、且つ平均結晶粒径が25μｍ以下である溶体化
   組織を有していることを特徴とする時効硬化性チ
   タニウム銅合金材料。 ２ 前記銅合金材料が冷間圧延材であり、そして
   その圧延方向とは直角な方向における伸びが、圧
   延方向における伸びに対して20％以内の変化割合
   内にあり、且つ圧延方向とは直角な方向における
   曲げ成形性が、圧延方向におけるそれと実質的に
   変わらない材料特性を有する特許請求の範囲第１
   項記載の時効硬化性チタニウム銅合金材料。