(57)【要約】【課題】高硬度、高強度、高靭性を有する高強度高靭性銅合金鍛造材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｎｉ：３．８を越えて１０％まで、Ｓｉ：０．８を越えて２．４％まで、Ｚｒ：０．００５〜０．２％を含有し、所望によりＣｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種または２種以上を合計で１．５％以下含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、引張強さが７５０ＭＰａ以上、衝撃吸収エネルギーが１０Ｊ以上、導電率が３０％ｌＡＣＳ以上の特性を有する高強度高靭性銅合金鍛造材に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｎｉ：３．８を越えて１０％まで、Ｓｉ：０．８を越えて２．４％まで、Ｚｒ：０．００５〜０．２％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、引張強さが７５０ＭＰａ以上、衝撃吸収エネルギーが１０Ｊ以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする高強度高靭性銅合金鍛造材。
【請求項２】
さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種または２種以上を合計で１．５％以下含有することを特徴とする請求項１記載の高強度高靭性銅合金鍛造材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、樹脂射出金型材を始めとした鍛造成形品に適用可能な高強度高靭性銅合金鍛造材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、導電性・熱伝導性に優れた合金として、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ系）、青銅（Ｃｕ−Ｓｎ系）、Ｂｅ銅やコルソン合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系）といった銅合金が用いられてきた。特に熱伝導とともに強度や硬度が要求されるようなプラスチック射出金型材や航空機部材などにはＢｅ銅やコルソン合金が用いられてきた。しかし、上記のＢｅ銅は溶解や加工時に生じる粉塵の有毒性が懸念され代替材が求められている。コルソン合金には更なる高熱伝導性、高強度、高硬度が求められている。また、鍛造材では鍛造後の熱処理時に材料に割れが生じることから、熱間加工性に加え、熱処理後の延性の向上が求められている。
【０００３】
近年、銅合金の箔帯で強度を増大し、かつ曲げ加工性を向上させる方策として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金にＭｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｎなどを添加した銅合金が製造されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。
Ｍｇ、Ｓｎはマトリックスに固溶して強度を向上させる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｎは硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、熱間加工割れの原因である粒界への硫黄の偏析を軽減する。
【０００４】
特許文献２、特許文献３、特許文献５に示すような銅合金箔帯はＳｎ、Ｍｎ、Ｚｒなどを添加して、固溶化処理と時効処理の前後で、熱間圧延、冷間圧延や熱間引抜、冷間引抜を繰り返し行うことで従来の銅合金箔帯を上回る曲げ加工性と強度を有している。
また、特許文献６に示すように、シェル中子用金型材に適用できる銅合金も発明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９１０８号公報
【特許文献２】特開２００８−１９６０４２号公報
【特許文献３】特開２００８−２２３１３６号公報
【特許文献４】特開２００８−２６６７８７号公報
【特許文献５】特開２０１０−１０６３６３号公報
【特許文献６】特開平８−１３０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、鍛造成型品を製造する場合は、主に熱間鍛造で加工成型を行う。箔帯製造で行うような圧延や引抜加工を行うことができないので特許文献２、特許文献３、特許文献５に示すような成分で鍛造成型品を製造しても高強度が得られない。
また、特許文献６で提案されている銅合金の引張強さは最大５８８ＭＰａであり、金型の鏡面性が要求される場合や、熱サイクルの振幅が大きい場合のような、強度が必要な用途においては不十分である。
また、高強度を得るためにはＮｉとＳｉの添加量の増加が有効であるが、凝固中に生成する晶出物や熱処理中に生成する析出物が増加し、熱伝導率が低下したり熱間加工性や熱処理後の延性が低下する可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に適量のＺｒを添加し硬度、強度、靭性を向上し、プラスチック射出金型材を始めとした鍛造成形品に使用可能な高硬度、高強度、高靭性を有する高強度高靭性銅合金鍛造材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金にＺｒを０．００５〜０．２％添加して粒界へのＮｉ２Ｓｉの析出を低減して靭性を高めつつ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｒの化合物を形成して強度と硬度を高めるものである。
【０００９】
すなわち、本発明の高強度高靭性銅合金鍛造材のうち第１の本発明は、質量％でＮｉ：３．８を越えて１０％まで、Ｓｉ：０．８を越えて２．４％まで、Ｚｒ：０．００５〜０．２％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、引張強さが７５０ＭＰａ以上、衝撃吸収エネルギーが１０Ｊ以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする。
【００１０】
第２の本発明の高強度高靭性銅合金鍛造材は、前記第１の本発明において、さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種または２種以上を合計で１．５％以下含有することを特徴とする。
【００１１】
以下、本発明の高強度高靱性銅合金鍛造材における各成分の組成限定理由を説明する。なお、以下の成分含有量は、いずれも質量％で示される。
【００１２】
Ｎｉ：３．８を越えて１０％まで
Ｓｉ：０．８を越えて２．４％まで
Ｎｉ及びＳｉは、時効処理を行うことによりＮｉとＳｉが微細なＮｉ２Ｓｉを主とした金属間化合物の析出粒子を形成し、合金の強度を著しく増加させる。また、時効処理でのＮｉ２Ｓｉの析出に伴い、導電性が向上する。ただし、Ｎｉ濃度が３．８％以下で、かつＳｉ濃度が０．８％以下の場合は、所望とする強度が得られない。また、Ｎｉ濃度が１０％を超え、かつＳｉ濃度が２．４％を超える場合は、鋳造時にＮｉ２Ｓｉ、Ｎｉ５Ｓｉ２などが大量に晶出又は析出し、加工や熱処理時に割れやすくなる。加えて、Ｎｉ濃度が１０％を超えると導電率も低下する。
製造性や特性のバランスを考慮すると、より好ましくはＮｉ濃度の下限が４．０％（さらに好ましくは５．０％）、上限が８．０％で、かつＳｉ濃度の下限が０．９％、上限が１．９％である。なお、Ｎｉ／Ｓｉ比は３．８〜４．６が望ましく、この比から大きく外れると、過剰となったＮｉ又はＳｉがＣｕマトリックス中に固溶して熱伝導率を低下させる。
【００１３】
Ｚｒ：０．００５〜０．２％
Ｚｒは硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、熱間加工割れの原因であるインゴット粒界への硫黄の偏析を軽減することで熱間加工性が改善する。一方で、本発明者らが鋭意調査した結果、Ｚｒ添加によりＮｉやＳｉの拡散が抑制されて粒界に析出するＮｉ２Ｓｉが減少し、時効後の靭性が改善されることが見い出された。この効果を得るためにＺｒを０．００５％以上添加する。しかし、０．２％以上添加すると酸化物や晶出物が増加して製造性、靭性や導電率が劣化するため、上限を０．２％とする。製造性や特性のバランスを考慮すると、より好ましくは下限が０．０１％、上限が０．１％である。
【００１４】
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ：ｌ種類以上を合計で１．５％以下
ＣｒはＳｉと金属間化合物を形成し、強度を向上させたり、結晶粒を微細化する効果がある。Ｍｎは硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、熱間加工割れの原因であるインゴット粒界への硫黄の偏析を低減することで熱間加工性が改善される。Ｚｎは固溶強化により強度を向上させる。また、溶解時に安価な黄銅スクラップを使用可能であれば製造コストを削減できる。
しかし、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎを過剰に添加すると熱伝導率が低下するため、上限をＣｒ、Ｍｎ、Ｚｎの１種類以上を合計で１．５％以下とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明の高強度高靭性銅合金鍛造材はＺｒを適量含有することから、高熱伝導率を維持しつつ従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金よりも高強度、高硬度、高靭性を有することができる。この結果、本発明の高強度高靭性銅合金鍛造材は、プラスチック射出金型材や航空機部材などにも使用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の高強度高靱性銅合金鍛造材は、常法によって製造することができる。
本発明に用いる銅合金は、常法により溶製することができ、真空雰囲気や不活性雰囲気、大気雰囲気などで材料を溶解し、鋳塊を得ることができる。雰囲気は真空雰囲気、不活性雰囲気が望ましいが例えば大気高周波炉で溶製することもできる。また、エレクトロスラグ再溶解炉などを用いた二次溶解を行ってもよい。連続鋳造法によって板材を得ることも可能である。
【００１７】
銅合金は必要に応じて加工が施される。加工の内容は本発明としては特に限定されるものではなく、プレス、ハンマー、圧延などの既知の鍛造方法を採用することができ、いかなる加工方法を用いても、本発明の特性を得ることが可能である。なお、加工は、製造性を考慮すると熱間加工が望ましく、さらには９００℃以上で行う熱間加工が望ましいが、室温での加工でも熱間加工と同様の特性を得ることが可能である
【００１８】
加工された銅合金材では、加工後または加工途中に固溶化処理を行うことも可能である。固溶化処理の条件は、例えば８００〜１０００℃で１〜１０時間保持した後、Ｎｉ、Ｓｉを十分固溶させるために５００℃以上の温度域を５℃／秒以上の冷却速度で冷却するものが挙げられる。
【００１９】
加工された銅合金材は、固溶化処理後または加工ままで時効処理を行うことができる。時効処理の条件は、例えば、４００〜５００℃で１〜３０時間保持するものが挙げられる。
得られた高強度高靱性銅合金材は、０．２％耐力が７５０ＭＰａ以上、衝撃吸収エネルギーが１０Ｊ以上、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上の特性を有している。
【実施例１】
【００２０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
表１の成分組成になるように、原料を配合し真空誘導溶解炉で溶解してφ１００ｍｍ×２００ｍｍｈの合金を作製した。この合金を熱間鍛造して２５ｍｍ厚の板材とし、９７０℃で４時間保持した後に水冷する固溶化処理を実施した。本発明の溶解方法および鍛造方法は上記の方法に限定されるものではない。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
その後、時効処理を施して常温引張試験を実施し、ＪＩＳＺ２２４４に基づき、荷重５ｋｇでヴィッカース硬さと、ヴィーデマン＝フランツ則に示されるように熱伝導率とほぼ比例関係にある導電率を測定した。表２にその結果を示す。本発明の実施例は７００ＭＰａ以上の引張強さ（ＪＩＳＺ２２４１に準拠）、Ｕノッチ試験片で１０Ｊ以上の衝撃吸収エネルギー（ＪＩＳＺ２２４２に準拠）、３０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有していた。また比較例と同等あるいはそれ以上の硬さを有していた。
以上のように、本発明は適量のＺｒを含有することにより、高導電率すなわち高熱伝導率を維持しつつ強度、靭性、硬度が高くなるという優れた性能を有する。
【００２３】
【表２】
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