(57)【要約】  マンガン及び硫黄及び／又はカルシウム並びに随伴元素の添加物を有する銅ベースの合金が示される。該銅合金は、テルル不含かつ鉛不含であり、そして高い電導率及び良好な被削性（Ｚｅｒｓｐａｎｂａｒｋｅｉｔ）を特色とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．０５〜０．８０重量％マンガン（Ｍｎ）、
０．１０〜０．８０重量％硫黄（Ｓ）、
任意に、一種又は複数種の元素であって、
０．００２〜０．０５重量％リン（Ｐ）、
０．０１〜０．５重量％クロム（Ｃｒ）、
０．０１〜０．５重量％アルミニウム（Ａｌ），
０．０１〜０．５重量％マグネシウム（Ｍｇ）、
からなる群から選択される、該元素、
並びに、残部の銅（Ｃｕ）及び不可避的不純物からなる、銅ベースの合金。
【請求項２】
前記マンガンの割合が、０．１０〜０．３０重量％、特に、０．１０〜０．２０重量％に調節される、請求項１に記載の銅ベースの合金。
【請求項３】
前記硫黄の割合が、０．２０〜０．６０重量％に調節される、請求項１又は２に記載の銅ベースの合金。
【請求項４】
０．３０〜１．５０重量％カルシウム（Ｃａ）、
任意に、一種又は複数種の元素であって、
０．００５〜０．０５重量％マンガン（Ｍｎ）、
０．００５〜０．０５重量％硫黄（Ｓ）、
０．００２〜０．０５重量％リン（Ｐ）、
０．０１〜０．５重量％クロム（Ｃｒ）、
０．０１〜０．５重量％アルミニウム（Ａｌ）、
０．０１〜０．５重量％マグネシウム（Ｍｇ）、
からなる群から選択される、該元素、
並びに、残部の銅（Ｃｕ）及び不可避的不純物からなる、銅ベースの合金。
【請求項５】
前記カルシウムの割合が０．５〜１．０重量％に調節される、請求項４に記載の銅ベースの合金。
【請求項６】
電導率が３５〜５５ＭＳ／ｍである、請求項１〜５のいずれか一つに記載の銅ベースの合金。
【請求項７】
電気伝導率が４８〜５３ＭＳ／ｍである、請求項６に記載の銅ベースの合金。
【請求項８】
被削性指数（Ｚｅｒｓｐａｎｂａｒｋｅｉｔｓｉｎｄｅｘ）が８０％〜９５％である、請求項１〜７のいずれか一つに記載の銅ベースの合金。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の合金からなる、圧延製品の形態の半製品。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の合金からなる、プレス／引抜（Ｐｒｅｓｓ−／Ｚｉｅｈ）製品の形態の半製品。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の合金からなる、鍛造製品の形態の半製品。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の合金からなる、鋳造製品の形態の半製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅合金、特に、鉛不含かつテルル不含の銅合金、並びに、そのような銅合金からの半製品に関する。
【０００２】
多くの産業並びに科学技術分野において、銅はその本来の品質のために欠くことのできない原材料である。特に、材料に非常に高い電気伝導性及び熱伝導性が要求される場合、銅及び銅合金は非常に重要である。しかしながら、部品を切削して加工しなければならない場合、純粋な銅の使用には困難を伴う。非切削的造形時には格別に評価される銅の高い靭性は、この場合には、不都合な材料特性となる。このことに関する問題とは、穿孔及び回転時の加工進行を妨げ、そして工具の刃を著しく摩耗させる長い切削屑の形成である。しかしながら、ＣＮＣ制御では、従来の自動旋盤でも、純粋な銅は、通常、時間、作業員及び工具に対して不経済な高額の出費がなければ加工あるいは処理できない。
【０００３】
鉛、ビスマス、硫黄及びテルルが添加された被削性（ｚｅｒｓｐａｎｂａｒｅ）銅材料が知られている。米国特許第１，９５９，５０９Ａ号（特許文献１）においてすでに、銅合金の被削性に対する、ビスマスの合金化の有利な影響が説明された。銅合金におけるテルルの有利な特性は、米国特許第２，０２７，８０７Ａ号（特許文献２）から明らかにされている。
【０００４】
チップブレーカー（Ｓｐａｎｂｒｅｃｈｅｒ）としては、鉛及びビスマスは金属の形態で作用し、それとは逆に、硫黄及びテルルは、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）又はテルル銅（Ｃｕ２Ｔｅ）の形態で金属間相として作用する。しかしながら、鉛及びビスマスの低い融点は、例えば、押出プレスなどによる熱間成形性（Ｗａｒｍｕmｆｏｒｍｂａｒｋｅｉｔ）を著しく制限するため、従来の製造装置では経済的な加工性ではないか、又は該加工性が制限されることになる。更に、銅合金中の鉛に関しては、健康上及び環境破壊の懸念がある。
【０００５】
それに反して、硫黄又はテルルが添加されたＣｕＳＰ又はＣｕＴｅＰの形態の銅材料は、良好な被削性並びに非常に高い電気伝導性及び熱伝導性の有利な組合せを特色とする。ただし、まさにテルルは、資源不足の結果その入手可能性が制限されるため、比較的高価である。そのため、テルルの資源不足が進む中、代替物が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第１，９５９，５０９Ａ号
【特許文献２】米国特許第２，０２７，８０７Ａ号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、従来技術から出発して、公知の銅合金ＣｕＴｅＰ及びＣｕＳＰと比べて、少なくとも同等もしくはより良好な被削性、並びに冷間成形性及び熱間成形性を有する銅合金を示すという課題に基づいている。
【０００８】
その課題の第一の解法は、本発明によれば、請求項１に記載の銅合金にある。
【０００９】
本発明によれば、提案される銅合金は、マンガン及び硫黄並びに付随元素（Ｂｅｇｌｅｉｔｅｌｅｍｅｎｔｅｎ）が添加された銅をベースとしており、該銅合金は、鉛又はテルルを含まないが、良好な被削性を有する。
【００１０】
該銅合金は銅から構成されており、合金成分として０．０５〜０．８０重量％マンガン（Ｍｎ）、０．１０〜０．８０重量％硫黄（Ｓ）、及び任意に、０．００２〜０．０５重量％リン（Ｐ）、０．０１〜０．５重量％クロム（Ｃｒ）、０．０１〜０．５重量％アルミニウム（Ａｌ）、０．０１〜０．５重量％マグネシウム（Ｍｇ）からなる群から選択される一種又は複数種の元素から、不可避的不純物と共に構成される。
【００１１】
本発明のＣｕＳＭｎ合金におけるチップブレーカーとしては、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）及び硫化マンガン（ＭｎＳ）からなる混合相が作用する。
【００１２】
特に好ましくは、マンガン割合は０．１０〜０．２０重量％である。同様に好ましくは、硫黄割合は０．２０〜０．６０重量％である。
【００１３】
本発明の基づく課題は、そのほかに、請求項４に記載の銅をベースとする合金により解決される。これは、０．３０〜１．５０重量％カルシウム（Ｃａ）、及び任意に、０．００５〜０．０５重量％マンガン（Ｍｎ）、０．００５〜０．０５重量％硫黄（Ｓ）、０．００２〜０．０５重量％リン（Ｐ）、０．０１〜０．５重量％クロム（Ｃｒ）、０．０１〜０．５重量％アルミニウム（Ａｌ）、０．０１〜０．５重量％マグネシウム（Ｍｇ）からなる群から選択される一種又は複数種の元素、並びに残部の銅（Ｃｕ）及び不可避的不純物から構成される。
【００１４】
好ましくは、上記の銅合金の場合、カルシウム割合は０．５〜１．０重量％である。
【００１５】
そのＣｕＣａ合金におけるチップブレーカーとしては、生ずる共晶相Ｃｕ５Ｃａが作用する。
【００１６】
リンは脱酸化剤として作用し、それは溶融物中に溶解した遊離酸素と結合して、そのゆえ、合金成分の気泡（水素脆性（Ｗａｓｓｅｒｓｔｏｆｆｋｒａｎｋｈｅｉｔ））及び酸化が阻止される。そのほかに、鋳造時の銅合金の流動特性を向上させるためにリンが添加される。
【００１７】
マンガンは粒子を微細化し、そして硫黄との組合せで被削性を向上させる。
【００１８】
アルミニウムは靭性を低下させることなく硬度及び降伏強さ（Ｓｔｅｃｋｇｒｅｎｚｅ）を高める。アルミニウムは、高温時の強度、加工性及び摩耗耐性並びに酸化耐性を向上させる元素である。
【００１９】
クロム及びマグネシウムは、高温時の酸化耐性を向上させるのに利用される。この際、相乗効果を得るべくこれらをアルミニウムと混合するときに、特に良好な結果が達成される。
【００２０】
本発明によって提案される二つの銅材料ＣｕＳＭｎ及びＣｕＣａは、ＣｕＳＰと同じか又はそれより優れた被削性を有する。実験では、ＣｕＳＭｎについて９０％の、ＣｕＣａについては８６％の、そして対照材料のＣｕＴｅＰ及びＣｕＳＰについては７６あるいは７９％の被削性指数（Ｚｅｒｓｐａｎｂａｒｋｅｉｔｓｉｎｄｅｘ）が測定された。
【００２１】
該材料は、３５〜５５ＭＳ／ｍである、特に４８〜５３ＭＳ／ｍの範囲内の電気伝導性を有している。更に、本発明によって提案される銅合金は毒性の合金元素を含まず、そして、その合金元素が安価に入手できることから経済的に有利である。更には、スクラップが再利用できるということが強く強調されるべきである。特に、提案されているそれら二つの銅合金の基準とは、在来の製造機械及び加工機械での加工性が可能であること、とりわけ、該合金が、十分な冷間成形性も、非常に良好な熱間成形性も有していることである。
【００２２】
そのことから、本発明によって提案される銅合金から、圧延製品、プレス−／引抜製品（Ｐｒｅｓｓ−／Ｚｉｅｈｐｒｏｄｕｋｔｅ）、鍛造製品又は鋳造製品の形態の半製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、被削性調査からの穿孔切削屑を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施形態及び比較の考察：
二つの実施例に基づいて、新規な鉛不含及びテルル不含の合金の本発明による有利な特性を、公知の規格化された材料であるＣｕＴｅＰ（＝ＥＮ−材料  ＣＷ１１８Ｃ、ＡＳＴＭ−材料  Ｃ１４５００）、及びＣｕＳＰ（＝ＥＮ−材料  ＣＷ１１４Ｃ、ＡＳＴＭ−材料  Ｃ１４７００）と比較して説明する。
【００２５】
るつぼ形誘導炉中で、ＣｕＳＭｎ、ＣｕＣａ及び対照材料のＣｕＴｅＰ及びＣｕＳＰのそれぞれを溶融し、そして連続鋳造法で丸ビレットを鋳造した。材料の組成を表１に表示する。ＣｕＳＭｎの組成は請求項１、２及び３に対応し、ＣｕＣａの組成は請求項４及び５を満たしている。対照材料の組成は、材料ＣｕＴｅＰ及びＣｕＳＰについてのＥＮ規格及びＡＳＴＭ規格の基準に対応している。連続鋳造された丸ビレット（Ｒｕｎｄｂｏｌｚｅｎ）を、≧８５０℃の加熱温度での連続プレス法で、問題なくプレスロッドにプレスし、そして引き続き、１０〜１５％の横断面減少でφ３５ｍｍの最終寸法に引き抜いた。１０〜１５％の横断面減少により、被削性の銅に対して頻繁に使用されてる、ＥＮ規格  １２１６４による供給状態Ｒ２５０あるいはＡＳＴＭ規格  Ｂ３０１による供給状態Ｈ０２を調節する。表２には、そのようにして完成して鋳造されたロッドの、機械的−技術的特性値、ブリネル硬度及び電導率が示されている。試験結果が示すように、新規の、本発明による材料は、標準的材料ＣｕＴｅＰあるいはＣｕＳＰに匹敵する機械的特性値及び同じように良好な電導率を有している。材料ＣｕＳＭｎは、より一層有利な強度／破断伸びの組合せに基づいて、標準材料ＣｕＳＰと比較して、より良好な冷間成形性（例えば、“打ち延ばされた”バーナーノズルの製造のためなど）の更なる利点を提供する。
【００２６】
被削性調査：
表２にリストアップされたロッドについて、穿孔試験の形態で、比較の被削性試験を行った。穿孔加工を、回転又はねじ切りによる加工より優先した。というのも、小さい穿孔（例えば、バーナーノズルにおけるような）の製作は、最も困難な切削加工形態だからである。それ故、ここで、材料が好ましい結果を示す場合、回転又はねじ切りによる加工が同様に問題ないことを意味している。
【００２７】
穿孔試験のために、最新のＣＮＣ加工機において次の慣用的なパラメーターを使用した。
・穿孔工具：  内部冷却を有する２ｍｍφ超硬ドリル、尖端がＡｌＴｉＮでコーティング、型Ｇｕｅｈｒｉｎｇ  ＷＮＲＮ１５ＸＤ
【００２８】
・穿孔方策：  ロッド断片に、前面４５個の穿孔を行う：
切削速度：              １００ｍ／分
送り：                  ０．０４ｍｍ／回転
穿孔深さ：              ３３ｍｍ
内部冷却ドリル：        エマルション４０バール
【００２９】
次のように評価した：
・鋼鉄テストシート１１７８−９０に基づいた切削屑形状（Ｓｐａｎｆｏｒｍ）
・それぞれ１００の切削屑の重量測定による平均切削屑質量
・２７０の穿孔後の自由表面摩耗としての工具摩耗
・必要な平均送り力
・次の基準に基づく穿孔品質
−  長さにわたる穿孔の円筒度（円錐度）
−  周縁の穿孔真円度
−  長さにわたる直径の寸法差
−  穿孔面の粗度Ｒｚ
【００３０】
当該材料と対照材料との定量的比較の評価を可能にするために、個々の測定結果を０〜１０点の点数方式で評価し、その際、０点は非常に悪い、そして１０点は最適＝非常に良好であることを示している。
【００３１】
個々の評価は合算され、その際、最大８０点に達し得る。この場合、この被削性の全評価は、被削性指数として定義されるべきであり、そうすると、ここでは８０点が最大達成可能な被削性指数の１００％に相当する。新規な本発明の材料ＣｕＣａ及びＣｕＳＭｎは、対照材料と比較して次の被削性指数を達成する。
ＣｕＳＭｎ：  ９０％
ＣｕＣａ：  ８６％
ＣｕＴｅＰ：  ７６％
ＣｕＳＰ：  ７９％
【００３２】
全ての材料の良好な短く切れる（ｋｕｒｚｂｒｕｅｃｈｉｇｅｎ）被削性を示すために、図１中に、被削性調査からの穿孔切削屑が示されている。いくぶん長めの螺旋状切削片（Ｗｅｎｄｅｌｓｐａｎｓｔｕｅｃｋｅ）は、まれにしか現れない。非常に精巧かつ手間暇のかかる被削性調査により、被削性において、本発明の材料が、これまでに入手可能な対照材料のＣｕＳＰ及びＣｕＴｅＰと少なくとも対等であるか、又はわずかに有利でさえあることが示された。
【００３３】
本発明者等は、入念な調査において、ＣｕＴｅＰ及びＣｕＳＰによる現在の供給範囲（Ａｎｇｅｂｏｔｓｐａｌｅｔｔｅ）を補完し、かつ、以下の品質特徴を有する銅材料を達成した。
ＣｕＴｅＰ／ＣｕＳＰと同じか又はより良好な被削性；
電導率≧３５ＭＳ／ｍ；
毒性のない合金元素；
合金元素の費用効率の高い入手可能性；
スクラップの再利用可能性；
従来の製造工程及び製造機械での加工性
【００３４】
調査において、硫黄（Ｓ）及びカルシウム（Ｃａ）と組み合わせた合金元素のアルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）をそれぞれ、到達可能な電導性及び被削性に関して、銅への唯一の添加物として試験した。被削性試験のための比較試料として、実証済みの材料ＣｕＳＰ及びＣＵＴｅＰが用いられた。品質的に評価されたのは、３ｍｍ穴の穿孔時の切削屑の形状、及びドリル折損の出現であった。
【００３５】
目標とする材料特性、あるいは材料特性の組合せは、マンガン、具体的には、０．０５〜０．８０重量％、好ましくは０．１０〜０．３０重量％、特に、０．１０〜０．２０重量％の割合までのマンガン、及び０．１０〜０．８０重量％、特に、０．２０〜０．６０重量％の割合の硫黄を合金化することによって達成された。
【００３６】
さらには、目標とする材料特性が、合金成分として０．３０〜１．５０重量％、好ましくは０．５〜１．０重量％の割合でカルシウムを含有する銅ベースの合金の場合に達成されることが立証できた。
【００３７】
本発明の本質として、二つの示された銅材料ＣｕＳＭｎ及びＣｕＣａが、上述の独自のチップブレーカー相、すなわち、Ｃｕ２Ｓ及びＭｎＳからなる混合相、あるいは共晶相Ｃｕ５Ｃａを有することがわかった。
【００３８】
本発明の銅合金の材料試料の加工及び試験では、とりわけ、銅合金ＣｕＳＭｎが、銅合金ＣｕＳＰ又は銅合金ＣｕＴｅＰに匹敵するか、又はわずかにより良好でさえある熱間成形性及び冷間成形性を有することが示された。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
【表２】
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【００４１】
【表３】
2013544962.tif 000004
【図１】
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【国際調査報告】
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