(57)【要約】【課題】制振性に優れる新たな銅合金を提供する。【解決手段】本発明の銅合金は、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、１３％以上２７％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、残部が銅（Ｃｕ）と不可避不純物および／または改質元素とからなり、ＳｂとＺｎとの合計が５０％以上６０％以下である。この銅合金は、高周波域かつ低歪振幅で高い損失係数が得られ、制振性に優れる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、
１３％以上２７％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、
亜鉛（Ｚｎ）と、
残部が銅（Ｃｕ）と不可避不純物および／または改質元素とからなり、ＳｂとＺｎとの合計が５０％以上６０％以下である制振性に優れることを特徴とする銅合金。
【請求項２】
前記ＳｂとＺｎとの合計は５３％以上５７％以下である請求項１に記載の銅合金。
【請求項３】
針状形状の金属組織を有する請求項１または２に記載の銅合金
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の銅合金からなる銅合金部材であって、
１×１０−６〜１×１０−５の低歪振幅域、１０００〜２００００Ｈｚの周波数域での制振性を指標する損失係数が０．００４以上の制振部材であることを特徴とする銅合金部材。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の銅合金素材を相変態点以上の加熱温度に加熱する加熱工程と、
該加熱工程後の銅合金素材を急冷する急冷工程と、
を備え、請求項５または６に記載の銅合金部材が得られることを特徴とする銅合金部材の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程の加熱温度は４５０〜６００℃である請求項５に記載の銅合金の製造方法。
【請求項７】
前記銅合金素材は、真空中で溶製した溶製材である請求項５または６に記載の銅合金部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた制振性などを示す銅合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械的に可動する可動部を有する装置や機器などは、その可動部が加振源となって、各部に多かれ少なかれ振動を生じることが多い。このような振動は、一般的に様々な騒音の原因となったり、疲労寿命の低下等につながったり、好ましくない。このような振動を抑制するために、制振材が用いられることが多い。
【０００３】
このような制振材として、例えば、強度や剛性などの機械的特性や耐熱性などがあまり厳しく要求されない部材には、振動を吸収し易い樹脂材や、その樹脂を部分的に用いた素材（例えば、鋼板間に樹脂材を挟持した制振鋼板）が用いられる。
【０００４】
しかし、強度などの機械的特性が要求され、高温雰囲気で使用される部材には、そのような制振材を安易に用いることはできず、金属材料からなる制振材が求められる。このような制振材として、Ｍｎをベースとした制振合金（特許文献１）の他、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ系またはＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系の銅合金からなる制振材（特許文献２、特許文献３）などが提案されている。もっとも、それらの制振材は、どのような領域で制振性に優れるのか、必ずしも明確でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２４２９７７号公報
【特許文献２】特開２００３−７３７５９号公報
【特許文献３】特開２００４−１０９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、従来の合金とは全く異なる新規な組成からなる制振性に優れる銅合金、その銅合金からなる銅合金部材およびその製造方法を提供することを目的とする。特に本発明は、従来の合金では制振性が不十分であった高周波域および低歪振幅域において優れた制振性を発現する銅合金等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】
【０００７】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、Ｃｕ−Ｓｂ系合金にＺｎを含有させた銅合金が、高周波域および低歪振幅域で高い制振性を発現することを見出した。そして、この成果を発展させることで以下に述べる本発明を完成するに至った。
【０００８】
《銅合金》
本発明の銅合金は、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、１３％以上２７％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、残部が銅（Ｃｕ）と不可避不純物および／または改質元素とからなり、ＳｂとＺｎとの合計が５０％以上６０％以下であり、制振性に優れることを特徴とする。
【０００９】
本発明の銅合金は、基本的に、主たる元素であるＣｕと、その合金元素となるＳｂおよびＺｎを含有するＣｕ−Ｓｂ−Ｚｎの３元系銅合金である。
【００１０】
先ず、Ｃｕ−Ｓｂの２元系銅合金は、合金元素であるＳｂにより、制振性のみならず機械的特性（硬さ、強度など）にも優れる。さらにこのＣｕ−Ｓｂの２元系銅合金にＺｎが加わることにより、一層優れた制振性を発現する。所定量のＳｂおよびＺｎを含む本発明の銅合金（後述の銅合金部材を含む）が優れた制振性を発現するメカニズムや理由は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。
【００１１】
本発明の銅合金の制振性は、振動エネルギーが制振材内部で部分的に吸収等されて低下し、吸収された振動エネルギーが主に熱エネルギーに変換されて外部に放出されることにより、振動の伝達が阻害されて生じると考えられる。一般的に、そのような振動エネルギーの吸収・低減メカニズム（制振メカニズム）として、磁壁（磁区の境界）の移動により振動を吸収する強磁性型、金属結晶の転位の運動により振動を吸収する転位型、マルテンサイト的変態で生成した双晶の運動により振動を吸収する双晶型、マトリクスと柔らかい分散粒子の界面付近の粘性流動により振動を吸収する複合型などがあるといわれている。
【００１２】
Ｃｕ−Ｓｂ−Ｚｎの３元系銅合金の制振メカニズムは、主に前述した双晶型であると思われる。特に、本発明の銅合金は、その成分組成からして、針状の金属組織を有する。針状に絡み合った部位において摩擦が生じて振動エネルギーを吸収し、熱エネルギーに変換されると考えられる。もっとも、この制振メカニズムは、上記の複数の制振メカニズムが融合して優れた制振性を発現していることも十分に考えられる。たとえば、本発明の銅合金に塑性加工を加えた銅合金部材の場合、転位の運動によって振動が吸収されることも考えられる。現在、このような制振メカニズムの詳細を調査中である。
【００１３】
ところで本発明の銅合金（銅合金部材）を解析したところ、高周波域における低歪振幅域での制振性が特に良好であることがわかった。具体的には、低歪振幅域（１×１０−６〜１×１０−５）かつ高周波域（１０００〜２００００Ｈｚ）において、減衰性を指標する損失係数（η）が０．００４以上となるのが好ましく、０．００５以上、０．００６以上、０．００７以上、０．００８以上、０．００９以上、０．０１０以上さらには０．０２０以上ともなることがわかった。
【００１４】
なお、この損失係数は中央加振法により求めた（図１参照）。すなわち、試験片（銅合金部材）の中央を種々の周波数で加振したときの加振周波数（ｆ０）に対する、試験片の端部で測定した測定周波数（ｆ１、ｆ２）の差分（Δｆ＝ｆ２−ｆ１）の割合（η＝Δｆ／ｆ０）である。具体的な測定方法は後述する。
【００１５】
ちなみに、振動減衰能を示す指標として、本明細書で主に用いた損失係数ηの他に、対数減衰率δや比減衰能Ｗ等がある。これらは相互に関係があり、δ＝πηまたはＷ＝２πηという関係式により、関連付けられる。従って、振動減衰能の指標が異なる場合でも、それら関係式を用いて換算することにより相互に比較することは可能である。
【００１６】
上記した本発明の銅合金は、加工前または熱処理前の素材（銅合金素材）を含むが、塑性加工や熱処理などが施された部材（銅合金部材）が主となる。この銅合金部材の場合も同様に、１×１０−６〜１×１０−５の低歪振幅域、１０００〜２００００Ｈｚの周波数域での制振性を指標する損失係数が０．００４以上さらには０．０１以上の制振部材であると好適である。
【００１７】
《銅合金部材の製造方法》
本発明の銅合金の場合、特定の熱処理を施すことによって制振性を一層高めることもできる。そこで本発明は、銅合金（部材）としてのみならず、その熱処理方法（製造方法）としても把握可能である。
【００１８】
すなわち、本発明は、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、１３％以上２７％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、残部が銅（Ｃｕ）と不可避不純物および／または改質元素とからなり、ＳｂとＺｎとの合計が５０％以上６０％以下である銅合金素材を相変態点以上の加熱温度に加熱する加熱工程と、該加熱工程後の銅合金素材を急冷する急冷工程と、を備え、上述した銅合金部材が得られることを特徴とする銅合金部材の製造方法であってもよい。
【００１９】
《その他》
本明細書中でいう「改質元素」は、Ｃｕ、ＳｂおよびＺｎ以外であって、銅合金の特性改善に有効な元素である。改善される特性の種類は問わないが、制振性、硬さ、強度、靱性、延性、高温安定性などがある。改質元素となり得る各元素の組合せは任意であり、それら元素は通常微量である。
【００２０】
「不可避不純物」は、原料中に含まれる不純物や各工程時に混入等する不純物などであって、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な元素である。本発明に係る銅合金の場合であれば、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓ、Ｆｅなどである。なお当然ながら不可避不純物は少ないほど好ましく、その組成は特に限定されない。
【００２１】
特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限ｘおよび上限ｙを含む。また、本明細書に記載した下限および上限は任意に組合わせて「ａ〜ｂ」のような範囲を構成し得る。さらに、数値範囲内から任意に選択した数値を上下限値とすることができる。
【００２２】
本明細書でいう「銅合金」または「銅合金部材」はその形態を問わない。特に銅合金は、例えば、バルク状、板状、棒状、管状等の素材であっても良いし、最終的な形状またはそれに近い構造部材自体であっても良い。
【００２３】
また、それらの素材となる銅合金素材は、溶製材でも焼結材でもよいが、溶製材であれば、緻密で安定した品質の素材が安価で得られる。一方、焼結材であれば、（ニア）ネットシェイプにより最終製品形状に近い状態の銅合金素材が得られる。なお、いずれの場合でも酸化防止雰囲気で製造されるものであると好適である。例えば、溶製材の場合であれば、前記銅合金素材が真空中で溶製したものであると好適である。ちなみに、この場合の真空度は１０〜１００Ｐａ程度であると好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の銅合金および銅合金部材は、高周波域かつ低歪振幅で高い損失係数を示し、制振性に優れる。本発明の銅合金部材は、本発明の銅合金部材の製造方法により容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】制振性を指標する損失係数の算出方法を示す説明図である。
【図２】本発明の銅合金の金属組織を示す顕微鏡写真であり、Ｃｕ−１５％Ｓｂ−４０％Ｚｎの供試材を示す。
【図３】本発明の銅合金の金属組織を示す顕微鏡写真であり、Ｃｕ−２５％Ｓｂ−３０％Ｚｎの供試材を示す。
【図４】比較例の銅合金の金属組織を示す顕微鏡写真であり、Ｃｕ−１５％Ｓｂ−３０％Ｚｎの供試材を示す。
【図５】比較例の銅合金の金属組織を示す顕微鏡写真であり、Ｃｕ−２５％Ｓｂ−２０％Ｚｎの供試材を示す。
【図６】成分組成の異なる銅合金の損失係数を示すグラフである。
【図７】本発明の銅合金について、周波数と損失係数との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。
【００２７】
なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る銅合金のみならず、銅合金部材およびその製造方法にも適宜適用される。このため、下記から選択される構成は、いずれの発明にも、また、カテゴリーを越えて、重畳的または任意的に、上述した本発明の構成に付加可能である。例えば、銅合金の組成に関する構成であれば、銅合金部材は勿論、その製造方法にも関連する。また、製造方法に関する構成のように見えても、プロダクトバイプロセスとして理解すれば、銅合金に関する構成ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２８】
《合金組成》
本発明の銅合金、銅合金部材および銅合金素材（以下、単に「銅合金」という。）は、主成分であるＣｕと、ＳｂおよびＺｎからなる。具体的には、本発明の銅合金は、１３〜２７％のＳｂと、Ｓｂとの合計で５０〜６０％のＺｎと、残部がＣｕと不可避不純物および／または改質元素と、からなる。これらの必須元素について以下に説明する。
【００２９】
Ｓｂは制振性の向上に有効な元素である。Ｓｂが過少では、双晶を生じるβ相（面心立方晶）のうち制振性の高いＣｕ−Ｓｂ系β相の比率が低下する。また、Ｓｂが過少では、制振性を生じる針状組織が得られず、十分な制振性が得られない。Ｓｂが過多では銅合金が脆くなり、例えば、冷間加工（冷間圧延等）の際に割れが生じたり靱性が低下したりし得る。そこでＳｂは上記のように１３〜２７％とする。好ましいＳｂ含有量は１４．５〜２６．５％、さらに好ましくは１５〜２５％である。
【００３０】
Ｚｎは、上記のＳｂの存在を前提として、銅合金の制振性を大きく向上させるのに有効な元素である。Ｚｎ含有量は、Ｓｂ含有量と相関しつつ制振性に影響する。Ｓｂ含有量の多い銅合金ほどα相中のＺｎ濃度が高くなりやすく、針状組織の形成に影響を及ぼす。そのため、Ｚｎは、Ｓｂとの合計で５０〜６０％とする。ＳｂとＺｎとの合計が過小では、制振性を生じる針状組織が得られず、十分な制振性の向上効果が得られない。ＳｂとＺｎとの合計が過多では、銅合金が脆くなる。ＳｂとＺｎとの好ましい含有量は、合計で５３〜５７％、さらに好ましくは５４．５〜５５．５％である。
【００３１】
上記の範囲でＳｂおよびＺｎを含む本発明の銅合金は、針状形状の金属組織を有するとよい。針状組織は、Ｓｂ−Ｚｎ系化合物、Ｃｕ−Ｓｂ系化合物およびＣｕ−Ｚｎ系化合物のうちの一種以上からなる粒界析出物である。この針状組織が、Ｃｕ−Ｓｂ−Ｚｎ合金の制振性を大きく向上させていると考えられる。なお、針状組織は、溶製した本発明の銅合金を顕微鏡観察することで、容易に確認できる。
【００３２】
《製造方法》
〈銅合金素材〉
銅合金素材は、上述した組成を有するものであれば、溶製材でも焼結材でもよい。もっとも、酸化物等の介在によって銅合金の制振性や機械的特性等が低下し得るので、銅合金素材は酸化防止雰囲気さらには真空雰囲気で鋳造や焼結されたものであると好ましい。
【００３３】
この銅合金素材は、鋳造または焼結させた銅合金に熱間加工（熱間圧延、熱間鍛造など）または冷間加工などの塑性加工を施したものでもよい。この塑性加工により最終的な製品（銅合金部材）形状かそれに近い形状とされた銅合金素材が後述の熱処理に供されると、塑性加工により導入された加工歪みなども解消されるので好ましい。
【００３４】
〈熱処理〉
本発明に係る熱処理（工程）には、銅合金素材を相変態点以上の加熱温度に加熱する加熱工程と、加熱工程後の銅合金素材を急冷する急冷工程とがある。このような熱処理（いわゆる溶体化処理）を施すことにより、熱処理を施さなかった場合やいわゆる焼鈍または焼準だけをおこなった場合よりも、銅合金部材の制振性が大きく向上し得る。この理由は、高温から室温付近まで急冷することにより、高温で安定なβ相を室温でも維持することができるからである。冷却速度が遅い場合、高い制振性を示すβ相がδ相に変態してしまい、ほとんど制振性を示さなくなる。そして、このような熱処理を施すことで、針状組織も維持される。
【００３５】
なお、ここでいう相変態点は、Ｃｕ−Ｓｂ−Ｚｎの３元系銅合金において、α相またはδ相がβ相へ変態する際の温度であって、マルテンサイト変態温度ではない。
【００３６】
加熱工程の好ましい加熱温度は、銅合金の成分組成により異なるが、本発明の範囲内であれば、４５０〜６００℃さらには４７０〜５００℃であると好適である。この加熱時間は、銅合金が十分に均質化するとともに生産性を向上し得る時間であると好ましく、例えば、０．５〜３時間さらには１〜２時間であるとよい。
【００３７】
急冷工程の好ましい冷却速度は、高温の銅合金素材が室温でもβ相を保持し得る速度である。具体的な冷却速度は銅合金の成分組成により異なるが、３００〜１０００℃／秒さらには８００〜９００℃／秒であると好適である。
【００３８】
なお、これらの熱処理以外に、本発明の銅合金の制振性を向上させるか、極端に低下させない範囲で低温焼鈍や時効処理などをさらに行ってもよい。
【００３９】
《銅合金部材》
本発明の銅合金部材はその形状や用途などは問わないが、一例として、前述した制振部材がある。
【００４０】
制振部材に係る具体例を挙げると、内燃機関の振動部位に介在させる振動緩衝体がある。より具体的には、エンジンのオイルパンをシリンダブロックへ固定するボルトに介在させるワッシャ、燃料用インジェクタとシリンダヘッドとの間に介在させるワッシャ、エンジンの排気熱を遮蔽するインシュレータやそれを固定するボルトに介在させるワッシャの他、オイルパン、吸気パイプ、ヘッドカバー等などである。
【００４１】
本発明の銅合金部材は金属製であるから、上述したような制振性の他に、強度、剛性、靱性、伸びなど、各種の機械的特性にも優れる。例えば、その硬さは２００ＨＶ以上さらには４００ＨＶ以上あり十分に高硬度である。このように各種の機械的特性に優れるので本発明の銅合金は構造部材としても十分利用可能である。
【実施例】
【００４２】
実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《試験片の製造》
（１）銅合金素材の溶製
原料として純Ｃｕ、純Ｓｂおよび純Ｚｎの鋳塊を用意して、表１に示す種々の合金組成に配合した。これらの配合原料を黒鉛製坩堝に入れて高周波真空溶解炉で溶解した。この溶解は、（Ｉ）０．１〜０．５ｔｏｒｒ（13.322〜66.661Ｐａ）まで排気した後、（ＩＩ）１００ｔｏｒｒ（13332.2 Ｐａ）までアルゴンガスを導入し、（ＩＩＩ）さらにその脱ガス後に５００ｔｏｒｒ（66661 Ｐａ）までＡｒガスを導入した雰囲気で行った。このときの溶解温度は１０５０℃とし、一度の溶解で５Ｋｇの溶湯を調製した。
【００４３】
こうして得られた銅合金溶湯をＡｒガス雰囲気の下、アルミナ製の鋳型へ注湯し、自然冷却により凝固させた。こうして、円柱形状（φ７０ｍｍ×１３０ｍｍ）の試験片素材（銅合金素材）を得た。
（２）熱処理
熱間圧延後の試験片素材を、大気雰囲気の加熱炉中に入れて５００〜６００℃で１時間加熱した後（加熱工程）、水冷によって急冷した（急冷工程）。このときの冷却速度は約９００〜１０００℃／秒であった。こうして得られた試験片（銅合金部材）を用いて種々の測定および観察を行った。
《評価》
〈損失係数の測定〉
上記の各種試験片を用いて、中央加振法により、損失係数を測定した。中央加振法は、試験片の中央を三角治具で支持して、その三角治具に所定の振動を付与し、試験片の端部で伝達された振動の周波数を測定する方法である。本実施例で付与した振動は、周波数は０〜２００００Ｈｚ、歪振幅は１×１０−６〜１×１０−５とした。
【００４４】
周波数を変化させて前記の周波数域内における周波数応答関数を求めた。その周波数応答関数から半値幅法により損失係数を算出した。この算出方法の概要を図１に示した。
【００４５】
〈顕微鏡観察〉
表１に示す各試験片の金属組織を金属顕微鏡で観察した。それぞれの顕微鏡写真を図２〜図５に示した。それぞれの顕微鏡写真において、明るく見える部分がα相、暗く見える部分がβ相であった。図２および図３では、暗く見えるβ相に針状組織が観察された。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
図６に、各試験片の損失係数を示した。試験片＃０１および＃０２は、１５００Ｈｚであっても４０００Ｈｚであっても、損失係数でη＞０．０１の優れた制振性を示した。一方、試験片＃Ｃ１および＃Ｃ２の損失係数は、いずれの場合であっても非常に低かった。試験片＃０１および＃０２と試験片＃Ｃ１および＃Ｃ２との大きな違いは、金属組織にあった。試験片＃０１および＃０２（図２および図３）には、試験片＃Ｃ１および＃Ｃ２（図４および図５）には見られなかった針状組織が観察された。
【００４８】
また、図７から明らかなように、試験片＃０１および＃０２は、広範囲の周波数域で高い損失係数を示した。いずれの試験片も、周波数が高い領域であっても高い損失係数を示した。具体的には、＃０１は、広範囲の周波数域においてη＞０．０１を示し、４０００Ｈｚにおいてη＝０．０１０１であった。＃０２は、４０００Ｈｚ以下ではη＞０．０１を示し、４０００Ｈｚにおいてη＝０．０１１０、１２０００Ｈｚにおいてη＝０．００６９７であった。
【００４９】
なお、図７では、試験片＃０１および＃０２の１０００〜８０００Ｈｚの範囲の損失係数ηを示している。試験片＃０１および＃０２は、１５０００Ｈｚさらには２００００Ｈｚであっても、η＞０．００４を示すことが、図７より予測される。
【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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