JPS6411109B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野） 本発明は、耐熱、高導電性分散強化銅（Cu）
合金材料の製造法にに係り、特にかかる分散強化
合金材料の優れた特性を保持しつつ、その製造工
程を簡略化せしめて、経済的に有利に製造し得る
ようにした方法に関するものである。 （従来技術） 銅（Cu）マトリツクスにアルミナ（Al₂O₃）を
分散させて合金、耐熱性、電気伝導性に優れてい
ることから、点溶接用電極材料、リードフレーム
材料、電気スイツチ等の電気部品材料として関心
を集めている材料である。ところで、このAl₂O₃
を分散せしめて強化したCu合金材料について、
その性能、製造に関する研究は古くから行なわ
れ、例えば特公昭55―39617号公報や特開昭59―
31838号公報等には、内部酸化法による製造技術
が明らかにされている。 そして、それら先行技術においては、何れも、
基本的にCu―Al粉末を適当な酸化剤粉末、具体
的にはCu₂O粉末等と混合せしめ、これを圧縮後、
高温、例えば850〜1000℃の温度で内部酸化処理
して分散強化させる手法が採用されているもので
あるが、このような基本的工程に加えて、更に前
記内部酸化処理の後において、過剰に残存する未
反応の酸化剤（Cu₂O）は、導電性の低下、延性
の低下の原因となると言う理由から、還元処理
（例えば、H₂ガス中、700〜900℃の加熱処理）が
付加されたり、またこの工程に加えて内部酸化処
理雰囲気を非酸化性に保持せしめたり（缶体に混
合物を封入する場合には脱気処理を行なう）、或
いはCu―Al粉末の高温での再結晶処理（特公昭
55―39617号公報）、酸化剤粉末の粉砕処理（特開
昭59―31838号公報）等の工程が付加されること
となる。 因みに、従来技術にみられるAl₂O₃分散強化Cu
合金押出棒を得る場合の従来工程は、次の如き(1)
〜(12)のステツプを採ることが必要とされているの
である。即ち、(1)Cu―Al合金粉末（Ａ剤）の調
製、(2)かかるＡ剤の高温下での空気酸化による酸
化剤（Ｂ剤）の調製、(3)Ｂ剤の粉砕、(4)Ａ剤とＢ
剤の混合（化学量論量）、(5)混合物の圧縮、(6)圧
縮体の缶封入、(7)缶内の脱気及びArガス封入、
(8)内部酸化処理（700〜1000℃）、(9)還元処理→粉
砕（700〜900℃）、(10)缶封入（Arガス封入）、(11)
脱気、(12)熱間押出にて構成されている。 （問題点） このように、従来から知られているAl₂O₃分散
強化Cu合金材料の製造手法においては、極めて
多数の工程乃至は作業が必要とされており、加え
てその製造工程の複雑さ、面倒さ等の為に、かか
る合金材料の製造コストが著しく高くなる問題が
内在しており、それ故にその実用化は限定された
部門に見られるに過ぎないのである。 （解決手段） ここにおいて、本発明は、かかる現状に鑑みて
為されたものであつて、粉末を用いた内部酸化処
理法の工程の簡素化について鋭意検討した結果、
耐熱性、電気伝導性を何等損なうことなく、Cu
―Al₂O₃分散強化合金材料を有効に得ることがで
きる手段を見い出したことに基づいて完成された
ものであり、これによつて、従来品に比べて著し
いコストダウンが可能となつたのである。 すなわち、本発明は、重量で0.05〜3.0％のAl
を含み且つ残部がCuからる合金溶湯をガスアト
マイズ若しくは水アトマイズ法にて粉末化して、
297μｍ以下のCu―Al合金粉末からるＡ粉末を調
製する一方、かかるＡ粉末を300℃を超えない温
度下で空気酸化せしめて、該Ａ粉末の表層部の
Cuを酸化物に変換してなるＢ粉末を製造し、次
いでそれらＡ粉末とＢ粉末とを均一に混合せし
め、そしてそれを圧縮成形して得られる圧縮成形
体を所定のCu若しくはCu合金製の容器内に封入
せしめた後、かかる封入状態において、該圧縮成
形体を加熱して選択的に内部酸化を行ない、前記
Ａ粉末中にAl成分の酸化物相を形成せしめ、更
にその後所定の熱間加工を施すことにより、前記
容器材料を外皮として有する所定形状のCu―
Al₂O₃分散強化合金材料を得るようにしたことを
特徴とするものである。 ここにおいて、かかる本発明にて用いられるＡ
粉末は、重量で0.05〜3.0％のAlを含み、且つ残
部がCuからなる合金溶湯を通常のガスアトマイ
ズ若しくは水アトマイズ法、換言すればかかる合
金溶湯の流れに対して、圧縮ガス或いは水流ジエ
ツトを作用させて飛散せしせ、粉末化する方法
（噴霧法）にて粉末化して得られる微細なCu―Al
合金粉末であり、そのようなCu―Al合金粉末は、
その粒径が297μｍ以下となるようにして調製さ
れることとなる。なお、このCu―Al合金粉末の
粒径が297μｍよりも大きくなると、後述する選
択的な内部酸化処理、換言すればCu―Al合金粉
末中のAl成分を選択的に酸化してAl₂O₃と為し、
そのような酸化物の相を該粉末中に形成せしめる
分散処理の時において、当該内部酸化（Alの酸
化）が不良となる問題があるところから、上記ア
トマイズ法にて得られる合金粉末の粒径が大なる
場合においては、必要に応じて分級操作乃至は篩
分け操作を実施して、297μｍ以下の粒径の粉末
として調製する必要がある。 また、かかるＡ粉末としてのCu―Al合金粉末
を調製するためのCu合金溶湯において、Al含有
量が0.05重量％よりも少なくなると、最終製品た
るCu―Al₂O₃分散強化合金材料の耐熱性、特に
700℃以上の温度下における耐熱性が悪くなる問
題があり、また3.0重量％を超えるAl含有量にお
いては、同じく最終製品の電気伝導度が低下する
問題があり、それ故700℃以上の温度下における
耐熱性や良好な電気伝導度、例えばIACS値が50
％以上の材料を得る上において、上記アトマイズ
されるCu合金溶湯中のAl量は、0.05〜3.0重量％
に規制される必要があるのである。 一方、本発明において用いられるＢ粉末は、上
記の如くして得られたＡ粉末を用いて、それを別
途に300℃を超えない温度下にて空気酸化せしめ
ることにより、該Ａ粉末を焼結せしめることな
く、その表層部のマトリツクスとしてのCuを酸
化物、すなわちCu₂O或いはCuOに変換せしめて
なる粉末形態のものであつて、未処理のＡ粉末と
同様な粒度を備えたものである。 このように、本発明では、Ａ粉末粒子を焼結さ
せることなく空気酸化して、酸化剤粉末を形成せ
しめるところに特徴があるのである。これは、本
発明者らの検討によつて、焼結現象が約350℃以
上で生じることを見出した結果に基づくものであ
り、本発明にあつては、一般に150℃程度から300
℃程度の温度下において、10分〜２時間程度、Ａ
粉末を流動せしめつつ、空気を流通させることに
よつて、所望の空気酸化（焼鈍）処理することに
より、実施されることとなる。そして、このよう
な酸化処理によつて、Ａ粉末は酸化増量して、Ｂ
粉末となるのであるが、その際の酸化増量は、一
般に0.5〜1.0％の範囲内に止められ、これによつ
てＡ粉末の表層部のCuのみが効果的にCu₂O或い
はCuOの如き酸化物とされることとなるのであ
る。 ところで、Ａ粉末を酸化するための酸化剤粉末
（Ｂ粉末）を得る一つの方法として、Cu―Al合金
粉末を空気酸化する手法が公知であることは、先
に述べたところであるが、そのような空気酸化を
行なう際の焼鈍温度は、酸化がより完全に行なわ
れるように、一般に高温で実施され、例えば先の
特開昭59―31838号公報においては、400〜700℃
の温度に当該かかる粉末を酸化処理する必要があ
る旨、明らかにしている。しかしながら、このよ
うな従来の如き高温の酸化処理を行なつた場合に
おいて、Cu―Al合金粉末は焼結現象を惹起する
ようになるのであり、それ故、その後の混合→圧
縮→内部酸化工程をスムーズに進行せしめる上に
おいては、この焼結した酸化剤粉末を粉砕する工
程が必要となるのである。しかして、本発明にあ
つては、上記本発明の一つの特徴として明らかに
したようにＢ粉末は焼結しておらず、それれ故従
来の如き粉砕工程が全く不要となり、以てそれを
省略した製造工程の採用が可能となつたのであ
る。 次いで、このようにして得られたＡ粉末とＢ粉
末とは、内部酸化処理の為に均一に混合せしめら
れることとなるが、その際の混合割合は、一般に
化学量論量において、換言すればＡ粉末中のAl
成分を酸化せしめてAl₂O₃とする酸素量に相当す
る酸素をCu₂O，CuOとして含むＢ粉末の量にお
いて、それらＡ粉末とＢ粉末とが混合せしめられ
る。 尤も、本発明にあつては、Ａ粉末とＢ粉末とが
完全に化学量論量において混合せしめられる必要
はなく、かかるＢ粉末の混合割合を該化学量論量
の50％〜200％程度の範囲内において変化せしめ
ることが可能であり、そのように変化せしめた場
合にあつても、最終製品の性能において、それほ
どの遜色は認められないのである。 しかも、かかるＡ粉末とＢ粉末の混合に際し
て、Ｂ粉末は該Ａ粉末から誘導されたものであつ
て、その粒径も同様なものであるところから、そ
れらＡ粉末とＢ粉末との混合は、従来の焼結物を
粉砕して粉末化せしめたものに比べて、より一層
効果的に行なわれ得て均一な混合物を容易に得る
ことが出来るのである。なお、この混合が均一で
ないと、後の内部酸化処理が充分に行なわれ得な
い問題を生ずることとなる。 そして、このＡ粉末とＢ粉末との均一な混合物
は、通常の手法に従つて一般に80％以上の相対密
度において圧縮成形されて、所定形状の圧縮成形
体（圧粉体）とされた後、適当なCu若しくはCu
合金（りん脱酸銅、Cu―Ni合金、Cu―Sn合金
等）製の容器内に封入せしめられ、その状態下に
おいて、従来と同様にして該圧縮成形体、具体的
には容器を加熱して、高温（700〜1000℃）下に
選択的に内部酸化を行なわしめ、該圧縮成形体を
構成するＡ粉末中のAl成分を酸化してAl₂O₃と為
し、その酸化物相を該粉末中に形成せしめるので
ある。すなわち、Cu₂OとAl₂O₃との酸化物生成
自由エネルギーの差を利用して、Ａ粉末のAlを
Ｂ粉末のCu₂OによつてAl₂O₃に酸化せしめ、そ
してこのAl₂O₃の分散状態に基づく硬化作用が、
目的とする材料特性の向上に利用されるのであ
る。 そして更に、本発明にあつては、上記の如くし
て得られた、内部酸化されてCu―Al₂O₃分散強化
合金粉末からなるように構成された圧縮成形体
は、かかる容器内に収容された状態で、換言すれ
ば従来の如き高温下での還元処理や粉砕、缶体内
封入（Arガス封入）、脱気処理等の操作が施され
ることなく、内部酸化処理された状態のままにお
いて、目的とする材料形態を得るべく、所定の熱
間加工、例えば熱間押出出、熱間圧延等が施され
ることとなる。そして、この熱間加工によつて、
圧縮成形体は、それを収容する容器の材料を外皮
として有する、線材、棒材、板材等の所定形状の
Cu―Al₂O₃分散強化合金材料となるが、該材料に
は、またそのような熱間加工の後に、必要に応じ
て冷間加工が施されることとなる。 ところで、一般に、粉末から所定の部材を熱間
加工により成形する場合において、粉末の缶体封
入→脱気→熱間加工の工程が採用されることとな
るが、この缶体封入後の脱気操作は粉体の酸化防
止、水蒸気分解による水素の発生と吸収等を防止
することを目的としている。例えば、Al合金粉
末の場合、缶体封入後600℃で10^-3〜10^-4Torrま
で脱気するのが一般的である。しかして、Cu―
Al合金粉末を酸化剤にて内部酸化せしめるべく
缶体内に該合金粉末と酸化剤との混合物を収容せ
しめ、そして脱気することなく、熱間加工を行な
つた場合、残留空気による酸化の進行及び残留酸
化物増大に伴う電気伝導度の低下、冷間加工性の
低下等が懸念されるのである。一方、脱気を実施
した場合、真空度によつてはCu₂Oの分解が生じ、
Alを酸化せしめるに必要な酸素量に不足をきた
す懸念がある。何れにせよ、最初に計算した化学
量論量より酸素過剰或いは酸素不足をきたすこと
となるのであり、それ故、結局、従来においては
酸素過剰気味で反応を完了させ、その後過剰の酸
素を還元処理にて除去するというステツプを採
り、これによつて従来の工程が出来上がつている
のである。 しかしながら、実用的見地からは、この過剰の
酸素（Cu₂O及びCuOとして存在）がどの程度許
容され得るかということが重要な点となるのであ
るが、本発明にあつては、そのような脱気処理
（及びAr封入）工程を省略しても、熱間加工、更
にはそれに続く冷間加工により、板材、棒材、線
材等を製造するに際して、その加工性、性能に殆
んど支障をもたらすことがないのである。それ
故、本発明にあつては、Ａ粉末とＢ粉末の混合物
からなる圧縮成形体を所定の容器内に封入するに
際して、脱気（及びAr封入）工程を省略するこ
とが可能となつたのである。尤も、本発明にあつ
ては、そのような脱気工程を採用しても、何能差
支えないことは、言うまでもないところである。
なお、本発明における上記の如き脱気工程の省略
を可能にしている理由については、未だ明らかに
はされていないが、恐らく酸化剤としてのＢ粉末
が従来のものとは異なり、極めて低温度にてその
表層部のCuのみを酸化せしめたものであるとこ
ろに、大きな一つの理由が存在しているものと考
えられている。 また、本発明における大きな特徴の一つは、従
来工程において最大のネツクになつていた内部酸
化後の還元工程を省略し得たことであり、これに
よつて、製造工程の大幅な簡略化が可能となつた
のである。なお、本発明において、圧縮成形体中
にCuO，Cu₂Oがある程度存在していても、その
加工性や材料性能に何等影響を及ぼすことはな
く、分散強化合金本来の特性を維持することがで
きるのである。これは、酸化剤として有効なＢ粉
末の使用や、Ａ粉末とＢ粉末の混合状態の向上等
によつて可能となつたものと考えられている。 なお、本発明に従つて、内部酸化処理された圧
縮成形体を収容する容器を熱間加工することによ
つて、かかる容器は、押出材、圧延材等の加工品
の外皮として残存し、これによりそれら材料中に
未反応物質として残存するCuO，Cu₂Oの還元性
ガスによるぜい化（例えば水素ぜい化）を防止す
るのに有効である。このように、外皮の存在は、
本発明において有効なものであるが、またそのよ
うな外皮は必要に応じて除去せしめられ、目的と
する用途に適用されることとなる。例えば、溶接
電極チツプ材料等の用途の場合にあつては、その
ような外皮は不必要である。また、外皮を必要と
する用途の場合においては、熱間加工により管材
等のホロー材を製造するに際しては、かかるホロ
ー材の全面に容器材料を外皮として存在せしめる
には限界があるところから、Cu―Al₂O₃露出部が
存在すれば、そのような露出部に対しては、別途
にメタライジング等による保護を行なうことが必
要となる。 （発明の効果） このように、本発明に従えば、所定のCu―
Al₂O₃分散強化合金材料がその優れた性能を劣化
せしめることなく、著しく簡略化された工程に従
つて製造され得ることとなり、これによつてその
製造コストの有効な低減を図り得たところから、
従来、製造コストが高いために性能上優れている
ことがわかつていたにも拘わらず、その実用化が
見送られていたCu―Al₂O₃分散強化合金材料が各
種の分野に安価に供給され得ることとなつたので
ある。 （実施例） 以下に、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あげるが、本発明
がかかる実施例の記載によつ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。 まず、Cu―0.08重量％Al合金を高周波炉にて
真空溶解して得られる合金溶湯を、通常のアルゴ
ンガスアトマイズ法にて粉末とした。そして、こ
の得られた粉末から297μm以下のものを集め、以
下の試料として用いた。 即ち、かかるCu粉末の一部を、流動せしめつ
つ、200℃×１時間、空気中において焼鈍し、粉
末表面にCu₂Oを形成せしめ、これを酸化剤（Ｂ
粉末）として用いた。なお、この焼鈍による空気
酸化における酸化増量は、0.7％であつた。次い
で、未焼鈍材（Ａ粉末）と上記Ｂ粉末とを、化学
量論量（10対１）の混合比をベースにして、50対
１〜３対１の割合で配合せしめ、Ｖ型ミキサーを
用いて均一に混合せしめた。この混合の後、均一
な混合物を5000Kgｆ／m²の成形圧力にて直径63.9
mm、長さ15mmの棒状に、一軸圧縮成形した。得ら
た圧粉体の相対密度は約90％であつた。 次いで、かかる圧粉体を内径64mm、肉厚2.5mm、
高さ200mmのりん脱酸銅製有底円筒状容器に収容
せしめた。そして、この容器の上部開口部を、脱
気用の抽気口を有する円板若しくはこの抽気口の
ない円板を上蓋として用いて閉塞せしめ、該上蓋
と円筒状容器との隙間をTIG溶液にて接合するこ
とにより、封入せしめた。なお、抽気口を設けた
容器に対しては、内部の空気を真空装置にて脱気
して密封し、加工用ビレツトとした。 かくして得られた、単に圧粉体を円筒状容器内
に封入してなる加工用ビレツト及び真空脱気して
なる加工用ビレツトに対して、それぞれ950℃×
５時間の内部酸化処理を施した後、横型間接押出
機を用いて、20mmφの棒材に押出加工した。この
際、圧粉体の外側に位置する容器材料たるりん脱
酸銅は、押出棒の外皮として全長にわたつて残存
した。 また、この得られた各種の押出棒について、そ
の冷間加工性を調べるために、それぞれ通常のス
ウエージング加工（20mmφ→10mmφ）及び抽伸加
工（10mmφ→１mmφ）を施したところ、いずれの
押出棒とも、その後のスウエージング加工、抽伸
加工が中間焼鈍無しで可能であつた。これによ
り、99％以上の冷間加工ができることが明らかと
なり、実用材料として何等問題の無いものと認め
られた。 この冷間加工性の評価結果と共に、前記各種押
出材の性能、すなわち電気伝導度、硬さ、引張強
さ及び耐熱性について評価し、その結果を下記第
１表に示した。

【表】

【表】 かかる第１表の結果から明らかなように、本発
明に従つて得られる各種押出材において、その硬
さ、引張強さ、電気伝導度に脱気有無の影響は見
られず、分散強化材料として望しい性能を示して
いる。そして、この結果より、本発明にあつては
脱気工程が必ずしも必須の工程ではないことが理
解されるのである。更に、Ａ粉末とＢ粉末との混
合比に関して、15／１乃至５／１では略同一性能
が得られているが、それが30／１を超えると耐熱
性が低下する傾向が認められ、また３／１では、
電気伝導性、冷間加工性が低下する傾向が認めら
れた。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量で0.05〜3.0％のAlを含み且つ残部がCu
   からなる合金溶湯をガスアトマイズ若しくは水ア
   トマイズ法にて粉末化して、297μｍ以下のCu―
   Al合金粉末からなるＡ粉末を調製する一方、か
   かるＡ粉末を300℃を超えない温度下で空気酸化
   せしめて、該Ａ粉末の表層部のCuを酸化物に変
   換してなるＢ粉末を製造し、次いでそれらＡ粉末
   とＢ粉末とを均一に混合せしめ、そしてそれを圧
   縮成形して得られる圧縮成形体を所定のCu若し
   くはCu合金製の容器内に封入せしめた後、かか
   る封入状態において、該圧縮成形体を加熱して選
   択的に内部酸化を行ない、前記Ａ粉末中にAl成
   分の酸化物相を形成せしめ、更にその後所定の熱
   間加工を施すことにより、前記容器材料を外皮と
   して有する所定形状のCu―Al₂O₃分散強化合金材
   料を得ることを特徴とする耐熱、高導電性分散強
   化銅合金材料の製造方法。