(57)【要約】【課題】  コンフォーム法による押出成形において、押出成形品の高精度化と高品質化を可能にする。【解決手段】  リン含有量が５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％であり酸素含有量が５×１０−４ｗｔ．％以下になるＡ領域は、成形直後および加熱試験後における膨れ異状はほとんどなくなり、押出成形品の導電率から銅平角線１４が薄肉化しても全く問題はない領域である。そして、リン含有量が４×１０−４ｗｔ．％〜２０×１０−４ｗｔ．％であり酸素含有量が１０×１０−４ｗｔ．％以下になるＢ領域は、成形直後および加熱試験後における膨れ異状は、ほとんど見られなくなり、押出成形品の導電率が９７％ＩＡＣＳを超える領域である。その他の領域では上記膨れ異状の発生頻度は８０％程度になり急激に悪くなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンフォーム押出機により押出成形品に加工される銅又は銅合金の押出成形用素材であって、前記押出成形用素材が、５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲のリン物質を含有し、かつ、前記押出成形用素材中の酸素の含有量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えないことを特徴とする押出成形用素材。
【請求項２】
押出成形用素材をコンフォーム押出機により押出成形品に加工する押出成形方法において、前記押出成形用素材が、銅又は銅合金より成り、５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲のリン物質を含有し、かつ、前記押出成形用素材中の酸素の含有量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えていないことを特徴とする押出成形方法。
【請求項３】
前記押出成形方法において、前記押出成形用素材表面の酸化により形成される銅酸化物を通して前記押出成形品に混入される酸素の混入量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えないように前記押出成形用素材を押出成形することを特徴とする請求項２に記載の押出成形方法。
【請求項４】
コンフォーム押出機により押出成形された銅又は銅合金の押出成形品であって、前記押出成形品が、５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲のリン物質を含有し、かつ、前記押出成形品の酸素の含有量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えないことを特徴とする押出成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンフォーム押出機により高品質のパイプ、平角線、セグメンタル導体素線又は銅被覆複合線等に成形される銅又は銅合金の押出成形用素材、それを用いた押出成形方法および押出成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、導線、平角線、パイプ及びセグメンタル導体用銅素線等の銅製品並びに銅被覆鋼線及び銅被覆アルミニウム線等の銅被覆複合線がコンフォーム押出機といわれる押出成形装置により製造されている。
【０００３】
図１は、周知の押出成形装置を示す略断面図である。押出成形装置の回転ホイール１は、その外周面２の周方向に沿って溝３が連続して形成され、溝３の周面に銅又は銅合金から成る押出成形用素材４が嵌合され一定方向に回転駆動されるようになっている。そして、固定シュー５が回転ホイール１の上方から側方にかけて設けられている。固定シュー５には、内周面６が回転ホイール１の外周面２から所定の間隔をあけて一部沿うように設けられている。また、この固定シュー５には、溝３に対向して押出室７が設けられ、更に外部に連通するようにダイチャンバ８が設けられている。このダイチャンバ８は成形品の押出形状を規定する押出成形用のダイス９を有している。そして、回転ホイール１の回転方向である矢印α方向における固定シュー５の入り口にはガイドローラ１０が設けられ、固定シュー５の終端部には溝３を塞ぐアバットメント１１が配置されている。
【０００４】
上記のような押出成形装置を使用して銅素線を押出成形する場合、先ず、押出される押出成形用素材４は、その表面の酸化皮膜及び油等の汚れが完全に除去される。そして、押出成形用素材４は、ガイドローラ１０により案内されて駆動する回転ホイール１の溝３に嵌合され、溝３と固定シュー５の内周面６とにより形成される通路（導入路）に引き込まれていき、アバットメント１１で方向を変えた後、ダイチャンバ９の室内に供給される。このとき、押出成形用素材４は、回転ホイール１の回転に伴って生じる上記導入路等での接触摩擦抵抗により、昇温、軟化、高圧化して可塑流動体となる。そして、可塑流動体になった押出成形用素材４は、ダイス９により例えば長尺の銅平角線に成形され押出成形品１２としてダイチャンバ８から押出される。
【０００５】
しかし、押出成形装置を用いて押出成形品を製造する場合には、押出成形品の表面に膨れ等の異状が生じて品質が低下することがある。溝３の表面は、上記導入路およびアバットメント１１を通過した後、５００℃程度の高温状態で大気に曝されるので、その表面には銅酸化物が生成される。この銅酸化物の一部は、押出成形時にフラッシュと呼ばれるスクラップとして回収可能であるが、全ては回収できず、また溝３の表面に残存する。残存した銅酸化物１３は、回転ホイール１の駆動により連続して押出成形用素材４が上述した導入路に引き込まれる際に押出成形用素材４の表面に付着してダイチャンバ８まで持ち込まれる。そして、銅酸化物１３は押出成形品の内部に巻き込まれ、この巻き込みに伴って内部に持ち込まれた酸素が押出成形品の表面直下に部分的に集まり、その後の熱処理により膨れの異常現象を起こし、品質を低下させる。
【０００６】
そこで、押出成形用素材４の表面酸化の防止、その銅酸化物の除去あるいは押出成形品への混入を防止するために種々の方法が提案されその一部は実施されている。
【０００７】
押出成形用素材の表面酸化を防止するものとしては、押出成形時に高温となる上記導入路、ダイチャンバ８及びアバットメント１１に還元性のガスを吹付けて、素材の酸化を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、前述のような装置全体をフードで囲い、その内部を不活性ガス等で充満して非酸化性雰囲気とすることにより、上記酸化を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。そして、押出成形用素材の表面酸化で生じた酸化物を除去するものとしては、回転ホイール１の側方域であって素材が導入路に引き込まれる手前の位置において、回転ホイール１の溝３あるいは外周面２に還元性水溶液を吹き付ける方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。そして、酸化物の押出成形品への混入を防止するものとしては、固定シュー５の内周面６に沿って溝３側へ突出する突出部を設けることで、可塑流動体になった押出成形用素材４表面部を導入路の外側にかき分けて排出する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】英国特許ＧＢ−２２４１６６０号明細書
【特許文献２】国際公開ＷＯ９５／１７２７０号
【特許文献３】特開平１１−１５６４２８号公報
【特許文献４】特開平１０−２１６８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
コンフォーム法による銅あるいは銅合金の押出成形では、給電用銅帯のようにこれまで単純な矩形断面形状の押出成形品の製造が行われてきたが、近年において、従来は切削でないと製造することが困難であったような異形断面のニアネット押出しが可能になり、その押出成形の適用範囲が広がりを見せている。このような中にあって、上記成形加工の高精度化に伴い成形品の更なる高品質化が強く求められてきており、上記特許文献１〜４の方法だけでは上記要求に対応できなくなってきた。
【０００９】
上述したところの従来の押出成形方法においては、それまでの押出成形方法に比べて酸素量の混入は確かに低減する。しかし、上述した特許文献１又は２に開示されているような従来の押出成形法により、押出成形装置内部が完全に無酸化状態になったとしても、銅又は銅合金から成る押出成形用素材表面は装置外部の室温の空気中酸素により容易に酸化されるため、その表面に銅酸化物が生成されることは不可避である。また、特許文献３に開示されているような上記銅酸化物を除去する装置を設置したとしても、そして特許文献４に開示されているような酸化物の押出成形品への混入を防止する方法を用いたとしても、銅酸化物が残存する可能性は排除できない。このために、上記押出成形後において上述したような銅酸化物の巻き込みによる膨れの異状が生じていない場合でも、その後の引抜きおよび焼鈍や銀ロウ付けなどの熱処理、そして上記成形品が実際に使用される環境を模擬した加熱試験が施されるときに、押出成形品の表面に微細な膨れが生じたり、内部に微小な空隙が生じたりして不良品になってしまうという問題があった。
【００１０】
また、上記従来の押出成形法においては、押出成形品に微量の酸化物が突発的に巻き込まれた場合に、それによる膨れ異状を防止することができなかった。そして、これらは、上述したようなフラッシュ量を増加させていっても回避できない問題となっていた。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、押出成形品のコストを上昇させることなく、押出成形品の加工の高精度化に対応した成形品の高品質化を可能にする押出成形用素材、押出成形方法および押出成形品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、銅又は銅合金の押出成形用素材にリン（Ｐ）を溶解させ、リンが上述した酸素起因の膨れ異状を抑制する効果について詳細に検討してきた。その中で、上記素材中の含有リンは、従来のリン脱酸銅に比べて１桁程度の低濃度範囲において、同時に押出成形用素材中の含有酸素量を低減させることで、以下の実施形態で述べるような種々の効果の生じることを見出した。本発明は、この新知見に基づいてなされている。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決するために、押出成形用素材にかかる発明は、コンフォーム押出機により押出成形品に加工される銅又は銅合金の押出成形用素材であって、前記押出成形用素材が、５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲のリン物質を含有し、かつ、前記押出成形用素材中の酸素の含有量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えない構成になっている。
【００１４】
そして、押出成形方法にかかる発明は、押出成形用素材をコンフォーム押出機により押出成形品に加工する押出成形方法において、前記押出成形用素材が、銅又は銅合金より成り、５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲のリン物質を含有し、かつ、前記押出成形用素材中の酸素の含有量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えていない構成になっている。
【００１５】
上記押出成形方法の発明において、前記押出成形用素材表面の酸化により形成される銅酸化物を通して前記押出成形品に混入される酸素の混入量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えないように前記押出成形用素材を押出成形する構成になっている。
【００１６】
そして、押出成形品にかかる発明は、コンフォーム押出機により押出成形された銅又は銅合金の押出成形品であって、前記押出成形品が、５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲のリン物質を含有し、かつ、前記押出成形品の酸素の含有量が１０×１０−４ｗｔ．％を越えない構成になっている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の構成によれば、銅又は銅合金素材のコンフォーム法で形成する押出成形品において、酸素起因の微細な膨れ異状の発生が成形品の実際に使用される環境で長期間にわたりみられなくなり、高品質の押出成形品が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる押出成形用素材、押出成形方法および押出成形品について、図１乃至図３を参照して更に説明する。図２は押出成形用素材および押出成形品の斜視図である。そして、図３は、押出成形品の微細な膨れ異状の発生および導電率と、押出成形用素材中のリン含有量および酸素含有量の関係を説明するためのグラフである。
【００１９】
本実施形態では、図１で説明した押出成形装置を使用しコンフォーム法で押出成形品を製造する場合に、銅又は銅合金から成る押出成形用素材中の酸素を捕獲する物質としてリン物質が予め溶解してある押出成形用素材４を用いる。ここで、銅合金としては、たとえば１×１０−２重量（ｗｔ．）％〜２×１０−１ｗｔ．％の程度の銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等を含有するものであり、押出成形用素材４は図２（ａ）に示しているように径が１０ｍｍ〜２０ｍｍの線素材となっている。そして、酸素ゲッタリング用の捕獲物質であるリンの含有量は４×１０−４ｗｔ．％〜２０×１０−４ｗｔ．％範囲にすればよく、このリンの含有量は、特に５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲にすることで、導電率の低下が押さえられ更に好適になる。そして、同時に酸素の含有量は１０×１０−４ｗｔ．％以下になるようにする。これらについては図３を参照して後述する。
【００２０】
そして、上述した押出成形用素材４は、図１に示したような押出成形装置に供給する前に、先ず、押出成形用素材４の表面の酸化皮膜及び油等の汚れを完全に除去する。その上で、この押出成形用素材４は、図１に示すガイドローラ１０を通して、駆動している回転ホイール１の溝３に嵌合させ、溝３と固定シュー５の内周面６とにより形成される導入路に供給する。そして、この押出成形用素材４は、回転ホイール１の回転に伴って生じる上記導入路での接触摩擦抵抗により、昇温、軟化、高圧化して可塑流動体となり、ダイス９から押出されて押出成形品である長尺の銅平角線１４に成形される。本実施形態では、固定シュー５の内周面６と回転ホイール１の外周面２とのギャップ量を最適化し、このギャップから銅酸化物を含んだ表面層をバリとして外部に排出している。このようにして、押出成形品は、上記銅平角線１４の他、丸棒、異形など種々の形状に成形される。
【００２１】
次に、上述したところの押出成形用素材４中に含有させる好適なリン量および酸素量について図３を参照して説明する。本発明者は、無酸素銅（ＪＩＳ  Ｃ１０２０）より高純度の銅材に種々量のリン及び酸素を溶解させ、銅中のリン成分量と酸素成分量を種々に変えた銅線素材のサンプルを作製した。そして、図２（ｂ）に示した上述の銅平角線１４の押出成形品を多数作製し、押出成形品の品質検査と特性検査を行った。
【００２２】
ここで、銅線素材サンプルの押出成形においては、回転ホイール１の外周面２と固定シュー５の内周面６との間隔（ギャップ）を２種類に変えて行っている。その第１のギャップでは、従来の技術で説明したような銅酸化物の巻き込みが抑制されるように設定されている。すなわち、回転ホイール１の外周面２と固定シュー５の内周面６とのギャップを最適にして行っている。そして、第２のギャップは比較のためのものであって従来のように銅酸化物の巻き込みがあるものである。
【００２３】
押出成形品の品質検査では、成形品の表面と内部の銅酸化物および空隙等の膨れ異状、そしてプレス打ち抜き性について主に評価した。この膨れ異状の検査では、成形直後の表面形状および内部組織の観察、加熱試験後の表面形状および内部組織の観察を高倍率の光学顕微鏡で行い、外観上膨れ異状が生じていないことを品質が良好であるとの判断基準とした。そして、上記加熱試験では、銅平角線１４をＪＩＳ  Ｈ３１４０に規定の水素脆化試験、及び、窒素雰囲気中、２００℃〜８５０℃範囲における所定の保持温度で１時間保持した後、冷却し上記観察を行った。この加熱試験は、銅平角線の押出成形後の工程で行う引抜き、焼鈍および銀ロウ付けなどの熱処理、更には、押出成形品の使用環境の温度を模擬している。
【００２４】
そして、特性検査では、押出成形品である銅平角線の導電率と純度について評価した。ここで、導電率は銅平角線１４の電気抵抗を計測して求め、純度は周知のＩＣＰの原子吸光法により銅平角線１４中の成分をｐｐｍレベルの重量％で評価している。
【００２５】
図３に、上記検査の中から膨れ異状および導電率の検査結果についてまとめた。図３の縦軸にはリン含有量を示し、横軸には酸素含有量を示している。上記検査から次のことが明らかになった。すなわち、膨れの異状については、リン含有量が増加すると共にその発生頻度は低減する。また、酸素含有量が増加すると共に膨れの異状の発生頻度は増加し、その低減のためにはリン含有量を増加させることが必要になる。しかし、リン含有量が増加すると押出成形品はその導電率が低下するために電気部材として使用できなくなる。この結果を上記リン含有量と酸素含有量のマップで区分して説明すると、図３に記すように、リン含有量が５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％であり、同時に酸素含有量が５×１０−４ｗｔ．％以下になるＡ領域では、上述した成形直後および加熱試験後における膨れ異状の発生は見られない。そして、押出成形品の導電率の検査から、リン含有量が１５×１０−４ｗｔ．％以下であれば、銅平角線１４が薄肉化しても電気部材として全く問題はなくなる。しかし、リン含有量が増加するに従い導電率は徐々に低下し、リン含有量が２０×１０−４ｗｔ．％を超えると導電率は９７％ＩＡＣＳ以下に低減し、押出成形品はその導電率で問題になり全て不良品になってしまう。
【００２６】
リン含有量が４×１０−４ｗｔ．％〜２０×１０−４ｗｔ．％であり、同時に酸素含有量が１０×１０−４ｗｔ．％以下になるＢ領域は、上述した成形直後および加熱試験後における膨れ異状が急減する領域であり、給電用銅帯のような押出成形の素材の断面積に比べて押出成型品の断面積が比較的に大きな押出成形品では上記膨れ異状はほとんど見られなくなる。そして、この領域では、上述したように押出成形品の導電率は９７％ＩＡＣＳを超える。
【００２７】
そして、図３中のその他の領域では、上記膨れ異状の発生頻度が高くなり、あるいはその導電率が大幅に低下し電気部材として使用できなくなる。
【００２８】
ここで、上記品質検査の結果は、上述した回転ホイール１の外周面２と固定シュー５の内周面６とのギャップを最適にした第１のギャップの場合であり、従来の技術で説明したような銅酸化物の巻き込みが抑制されている場合のものである。
【００２９】
また、上述したプレス打ち抜き性の検査では、リン含有量が増加するに従い品質が低下し特に打ち抜き加工においてバリの発生頻度が増加するようになる。一方で、酸素含有量を増加させると上記バリの発生頻度は抑制できることが明らかになった。そして、リン含有量が１５×１０−４ｗｔ．％以下であり、酸素含有量が１０×１０−４ｗｔ．％以下であれば、プレス打ち抜き性における良品率は、圧延製品でリン含有しない無酸素銅とタフピッチ銅の中間程度の値になり、６０〜８０％にできることが確認された。
【００３０】
以上の品質検査および特性検査の結果から、銅又は銅合金の押出成型用素材としてリンの含有量は４×１０−４ｗｔ．％〜２０×１０−４ｗｔ．％範囲にするのが好ましく、特に５×１０−４ｗｔ．％〜１５×１０−４ｗｔ．％範囲にあることが好適であり、同時に、無酸素銅である押出成型用素材において、酸素の含有量は１０×１０−４ｗｔ．％以下にすれば好適になることが判明した。そして、本発明の押出成形方法で形成した押出成形品には、上記範囲のリン含有量および酸素含有量が含まれることが判った。
【００３１】
なお、上述した品質検査および特性検査において、比較のために行った上記銅酸化物の巻き込みがある第２のギャップの場合には、上記酸素含有量の低減効果は顕にならないことが確認されている。これは、上記銅酸化物の押出成形用素材への巻き込み量が多くなるとその効果が隠されてしまうからである。
【００３２】
上述したように、コンフォーム押出機を用いた押出成形では、銅又は銅合金で成る押出成形用素材が、接触摩擦抵抗により昇温、軟化、高圧化して可塑流動体となり、ダイスの金型により成形される。このために、上記押出成形用素材が可塑流動体になる領域が酸素雰囲気にあれば、この領域において押出成形用素材の表面の酸化は生じるが、この酸化は表面層に留まり押出成形用素材の内部にまで酸素が侵入することはない。しかもこの表面の酸化で形成される銅酸化物は、上述したようにバリ取りを十分に行うことでほぼ除去できている。本実施形態では、押出成形用素材の内部に予め含まれる酸素を１０×１０−４ｗｔ．％以下になるように設定することで、上述した微細な膨れ異状の防止の効果が顕在化してきたものと思われる。
【００３３】
銅又は銅合金素材において酸素の捕獲物質としてリンを含有させることはリン脱酸銅のように周知である。このリン脱酸銅におけるリン含有量は４×１０−３ｗｔ．％〜４×１０−２ｗｔ．％である。これに対して、本発明の押出成形用素材では、リン含有量は、公知のリン脱酸銅の場合の１／１０〜１／３程度である。そして、同時に酸素含有量については通常の無酸素銅と同程度になっている。このために、本発明の押出成形用素材は従来のリン脱酸銅とは全く特性の異なる材料になっている。そして、この押出成形用素材の製造において、銅又は銅合金の押出成形用素材にリンを添加する場合に、溶解により含有させる上記範囲のリン量の制御は極めて容易であることが確認された。
【００３４】
上記実施形態によれば、押出成型用素材中のリン含有量と酸素含有量とを制御することによって、押出成形品の更なる薄肉化あるいは押出成形品の加工の高精度化が容易になると共に、押出成形直後の微細な膨れ異状の発生あるいは導電率の低下を抑え押出成形品の高品質化が達成される。そして、押出成形品としては、平角線のような単純な断面形状以外にも、異形断面製品の製造も容易になる。
【００３５】
また、後工程における引抜き、焼鈍や銀ロウ付けなどの熱処理、そして押出成形品が実際に使用される環境において、製品の表面に微細な膨れが生じたり、内部に空隙が生じたりすることもなくなり、高い長期信頼性を有する押出成形品が形成できるようになる。そして、これまでフラッシュ量を増加させていっても回避できなかった問題は解消される。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００３７】
例えば、従来の技術で説明した特許文献１，２に記載の押出成形装置を用いた押出成形に本発明の押出成形用素材及び押出成形方法を適用してもよい。この適用により、上述した銅素材表面の酸化は減少しバリ取りによるフラッシュ量が少なく、微細な膨れ異状の無い高品質の押出成形品が製造できるようになる。
【００３８】
更には、上記の実施の形態において、銅又は銅合金中の酸素の捕獲物質としては銅よりも酸化し易いものであればよく、リンに換えてホウ素（Ｂ）等を使用してもよい。ただし、成形品の特性を劣化させる物質は選択しないようにすることが必要になる。
【００３９】
また、コンフォーム押出機による押出成形においては、任意の部分とその周辺の部分との間で押出速度の差異の大きな部位ほど、酸素の巻き込み量が増加する傾向にある。従って、可能な限り押出速度の差異が小さくなるよう、ダイスの形状等を設計することによっても、膨れ異常を減少させることができる。
さらに、押出成形の素材の断面積と、押出成型品の断面積の比が小さいほど、酸素の含有量が増加する傾向にある。従って、この断面積比をおおきくすることによって、膨れ異常を減少させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】コンフォーム法で用いる押出成形装置を示す断面図である。
【図２】押出成形用素材および押出成形品の斜視図である。
【図３】押出成形品の膨れ異状の発生および導電率と、押出成形用素材中のリン含有量および酸素含有量の関係を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１  回転ホイール
２  外周面
３  溝
４  押出成形用素材
５  固定シュー
６  内周面
７  押出室
８  ダイチャンバ
９  ダイス
１０  ガイドローラ
１１  アバットメント
１２  押出成形品
１３  銅酸化物
１４  銅平角線
【図１】
2006070341.tif 000003
【図２】
2006070341.tif 000004
【図３】
2006070341.tif 000005