(57)【要約】【課題】コネクタ材として高い導電率と強度を有する材料が求められている。従来は銅にベリリウムを添加して合金が用いられていたが、ベリリウムにはアレルゲンとなりうる可能性があり、また高価である点から、人体への影響が少なく、また安価な材料による合金が求められていた。チタンは銅への添加元素として、強度を得ることができる点で有用な材料であるが、電気伝導性に問題があった。【手段】銅-チタン合金に水素を含有させることで、銅より高い強度と従来の銅-チタン合金より高い導電性を発揮する銅-チタン-水素合金を得た。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を母体として、チタンと水素を含有する合金。
【請求項２】
母材である銅に対して、チタンの含有量は銅−チタンを１００（ａｔ．％）とした時に１（ａｔ．％）以上７．５（ａｔ．％）以下であり、水素の含有量はチタン−銅−水素を１００（ａｔ．％）とした時に０．１（ａｔ．％）以上前記チタン含有量の２倍以下である請求項１記載の銅−チタン−水素合金。
【請求項３】
前記チタンの含有量は銅−チタンを１００（ａｔ．％）とした時に１（ａｔ．％）以上６（ａｔ．％）以下であり、前記水素の含有量はチタン−銅−水素を１００（ａｔ．％）とした時に０．１（ａｔ．％）以上前記チタン含有量の１．７倍以下である請求項１記載の銅−チタン−水素合金。
【請求項４】
銅に所定のチタンを溶融させた銅−チタン合金を作製する工程と、
前記溶融した銅−チタン合金を急冷し、過飽和銅−チタン合金を作製する工程と、
前記銅−チタン合金を時効析出硬化させ、かつ水素を含有させる工程とからなる銅−チタン−水素合金の製造方法。
【請求項５】
前記水素を含有させる工程は、
前記銅−チタン合金を水素雰囲気中で時効処理する工程である請求項４記載の銅-チタン-水素合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度の機械的特性および電気伝導性に優れた銅合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の小型化によって電気・電子部品やコネクタの小型化が進んでいる。コネクタなどが狭幅化、薄肉化すると接触面積が減少するため、接圧の減少と接触抵抗の増大が問題となる。この問題を解決するためには、これらの部品に用いられる金属材料に高い剛性と導電性が必要になる。
【０００３】
図９には、純銅に不純物が含まれた場合の、導電率と引っ張り強度の関係を示すものである。縦軸は引っ張り強度、横軸は導電率である。導電率はＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｓｔａｎｄａｒｄ：インターナショナル  アニールド  カッパー  スタンダード）による標準焼きなまし銅線を１００％とした場合に、対象材料の導電率の割合で表したものである（以後「％ＩＡＣＳ」という）。また引っ張り強度は、試料の単位断面積あたりの力（ＭＰａ）で表したものである。
【０００４】
標準焼きなまし銅線とほぼ同じ純銅は、導電率はほぼ１００％に近いものの、引っ張り強度は低く、材料として柔らかいことを示している。また、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、錫（Ｓｎ）などを含有させた銅合金では、導電率は５０％以上あるものの、やはり強度としては、十分とはいえない。機器間をつなぐコネクタなどに利用する場合では、繰り返し抜き差しされることが予想されることから、強度という指標はこのようなコネクタ部品材料として要求される項目である。
【０００５】
一方で、ベリリウム（Ｂｅ）を含有させた銅合金では、導電率は約４０％から５０％を確保し、尚且つ強度も非常に高い。このように、高い強度と導電率を兼ね備えているため、銅−ベリリウム合金は従来コネクタ材料として使われている。
【０００６】
しかし、ベリリウム（Ｂｅ）に関しては一部でアレルギーの原因であるアレルゲンになるとの報告もなされ人的衛生上に問題があり、また、ベリリウム（Ｂｅ）自体のコストも高いため、銅−ベリリウム合金に代替する銅合金材料の開発が従来から行われていた。
【０００７】
図９から示されるように、２元系の銅合金において、ベリリウム（Ｂｅ）以外の添加材料としての候補材料としては、チタニウム（Ｔｉ：本明細書、特許請求の範囲を含め「チタン」という。）や亜鉛（Ｚｎ）が挙げられる。しかし、銅−亜鉛合金は、強度の幅が大きく、製造時の条件で大きく特性が変化する可能性を示唆しており、安定性に欠けることが予想される。一方、銅−チタン合金は比較的優れた強度特性を示すものの、導電率は２０％以下となり、さらなる導電性の向上が望まれる。
【０００８】
銅−チタン合金では、導電性は低いものの、高強度であり、またチタンが比較的安価な材料であるため、銅−チタン合金の導電性を改善することによって、コネクタ材料として利用しようという提案が従来からある。
【０００９】
例えば、合金の導電率や強度は、添加物の量で変わるほか、塑性歪の有無によっても変わることが知られている。そこで、塑性歪を積極的に与えることで、機械的強度と導電率を確保しようというアプローチがあった。具体的には、母材金属を銅として、Ｃｒ（クロム）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）、チタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）のうちのいずれかを第二元素として添加し、材料を伸ばすことにより歪を与えながら時効処理を施す発明が提案されている（特許文献１参照）。
【００１０】
この提案は、以下のような背景から創作されたものである。すなわち、銅合金に導電率を発現させるためには、添加元素を固溶状態から析出させることが必要である。添加元素を析出させるためには、時効処理時の温度を上昇させることが有効である。しかし、時効処理時の温度を上げた場合には、結晶粒成長が促進され機械的強度が低下する。このように相反する課題を解決するために、材料に歪を与えて、結晶粒成長を押さえながら時効処理を行って、添加元素を析出させようという提案がなされた。
【００１１】
また、チタンの含有量と、鋳塊の熱間圧延、冷間圧延、溶体化処理、冷間圧延、時効処理の条件を規定することで、導電率の高い銅−チタン合金を得る発明も提案されている（特許文献２、３参照）。この発明も、特許文献１と同じく固溶添加物であるチタンを充分に析出させ、固溶チタン量を極力減少させることが、銅-チタン合金の導電率を上昇させる手法であるとの認識からなされた発明である。
【特許文献１】特開２００４−１０００４２号公報
【特許文献２】特開２００４−２８５４０８号公報
【特許文献３】特開２００５−３４４１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
銅−チタン合金は強度と導電率を兼ね備えた材料となり得るものとして有望である。しかし上記のようなアプローチからの発明でも、その両特性を充分に満足するとはいえない。本願はかかる課題に鑑み、発想されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、熱処理により銅−チタン合金の母相（過飽和固溶体相）からチタン銅化合物（ＴｉＣｕ４）を析出させると同時に、本合金に水素を吸収させることによりチタンハイドライト（ＴｉＨ２：以後「水素化チタン」という。）としてチタンを析出させ、母相中のチタン（Ｔｉ）含有量を低減させることにより、高強度銅-チタン合金の導電率を向上させようという発想に基づくものである。
【００１４】
従って、本発明は、銅（Ｃｕ）を母材として、チタンを所定分量含有させ、さらに水素を含有させた銅合金である。また、銅を母材としてチタンを所定分量含有させ、急冷することで、チタンが過飽和に固溶した銅合金を作製し、それを水素雰囲気で時効処理などすることによって水素を含有させて、銅−チタン−水素合金を作製する製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
銅−チタン−水素合金中のチタンは銅固溶体中に存在し、チタン量に依存して強度は高くなるが、逆に導電性は低下する。それを水素雰囲気中での時効処理を施すなどによって、チタン銅化合物（ＴｉＣｕ４）と同時に水素化チタン（ＴｉＨ２）を析出させ、銅固溶体中のチタン量を低減させる。このようにすることで、強度は保ったままで、導電率を高くすることができる。すなわち、強度と導電率を兼ね備えた銅合金を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の銅−チタン−水素合金は、チタンは銅−チタンを１００（ａｔ．％）とした時に、１．０（ａｔ．％）から７．５（ａｔ．％）、好ましくは１．０（ａｔ．％）から６．０（ａｔ．％）であり、水素は銅−チタン−水素を１００（ａｔ．％）とした時に０．１（ａｔ．％）以上からチタンの含有率の２倍（ａｔ．％換算）以下、好ましくは１．７倍（ａｔ．％換算）以下であり、残りが銅と不可避的不純物からなる。なお、本明細書および特許請求の範囲を通じて「ａｔ．％」は、原子存在比(ａｔｏｍｉｃ％：アトミックパーセント)の意味である。
【００１７】
本発明の銅−チタン−水素合金は、母材となる銅にチタンを溶融し、急冷してから、水素雰囲気中で時効処理を行うことで得ることができる。
【００１８】
母材となる銅およびチタンはできるだけ純度の高いものを使用するのがよい。特に本発明の銅−チタン−水素合金は水素を使うため、銅やチタン中に酸素が残渣として存在していると水素と反応し、強度的特性を損ねると考えられるので、素材には９９．９％以上のものを使うのが好ましい。
【００１９】
銅とチタンの溶融は、合金溶製法、アルゴンアーク溶解法など、一般に使われる方法を利用することができる。また、チタンは蒸気圧が高いため、溶融中で組成変化がほとんど起こらない。そのため、目標とする仕込み量で材料を仕込むことにより所定組成を有する合金が得られる。
【００２０】
急冷は銅にチタンが過飽和に固溶した状態（過飽和固溶体）を得る目的で行う。急冷には水冷、油冷、空冷といった方法が具体的に挙げられる。しかし、過飽和固容体の状態が維持できればよく、これらに限定されるものではない。また、急冷はできるだけ体積に対する比表面積を大きくして行なうのがよい。比表面積が小さい場合で急冷しても内部はなかなか温度が下がらず、均質に急冷できないおそれがあるからである。
【００２１】
銅−チタン合金への水素の導入には、水素雰囲気での時効処理で行なう。水素中の時効処理は、水素圧が大気圧あるいは加圧雰囲気中で熱処理する手法である。時効処理の雰囲気は、一度減圧してその後水素を導入することで、還元雰囲気を作って行うのが好ましい。
【００２２】
また、水素雰囲気中の時効処理は、銅−チタン合金の形状、水素濃度、水素圧力、処理温度、処理時間などの要因で合金組織が変化するため、一様に特定する事はできない。製造目的毎に処理条件は絞り込むのが好ましい。
【００２３】
時効処理後の水素含有量は、チタン含有量の２倍程度までは含有させることができる。これは、導入される水素は銅−チタン合金中のチタンに対して水素化チタン（ＴｉＨ２）という形態で取り込まれると考えられるからである。
【００２４】
水素中での時効処理を行うと、強度と導電性が発現されるので、時効処理を行う前に製品などへ成型加工してもよい。
【００２５】
なお、本発明の銅−チタン−水素合金は、銅−チタン合金に水素を含有させる点がポイントであって、本合金への水素の導入には、水素雰囲気の時効処理に限定するものではない。例えば電解浴中での電解チャージといった方法で行なっても構わない。これは、電解浴中にて処理したい銅−チタン合金を負極になるように設置し、電流を流す事で銅-チタン合金中に水素イオンを導入する方法である。
【００２６】
本発明の銅−チタン−水素合金はチタンと水素の含有量は重要な制御パラメーターの１つである。これらの含有量の確認には、一般的な分析方法を適応することができる。例えば、チタンの含有量は、Ｘ線回折装置、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置、波長分散型蛍光Ｘ線分析装置、ＩＣＰ−ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：誘導結合高周波プラズマ発光分光分析）法を用いることができる。ＩＣＰ−ＡＥＳ法は、試料の表層部分だけでなく、試料全体に対して定量測定ができるので、好適な定量測定である。この方法では、測定試料を溶液中に完全に溶かし、その溶液をプラズマで燃焼させ、試料中の元素を一端励起イオン状態にする。励起状態からよりエネルギーの低い状態に失活する際に放出する発光スペクトルの波長から元素の同定を行い、発光強度から定量分析する方法である。この方法では試料を溶液化する必要があるが、銅−チタン系の合金の場合、硝酸溶液などを用いる。市販されている測定装置もあり、例えばＴｈｅｒｍｏ−ｅｌｅｍｅｎｔ社製のＩＲＩＳ−Ａｄｖａｎｔａｇｅ  ＤＵＯなどがある。
【００２７】
また、水素の含有量に関してはアルゴンガス搬送融解−熱伝導法によって測定することができる。これは、試料を融解させ、その際に試料中から水素、窒素といったガス元素を発生させ、その混合気体の熱伝導率を測定する方法であり、それぞれの気体が異なる熱伝導率を示すことを利用し、成分元素を定量化する方法である。試料の融解を不活性ガス中で行なうか、酸素残留雰囲気中で行なうかで、測定方法にも種類があるが、どちらの方法を用いてもよい。市販されている装置もあり、例えば堀場製作所製のＥＭＧＡ−６２１「高感度水素分析装置」などがある。
【実施例】
【００２８】
本実施例に用いた銅は、純度９９．９９９％、チタンは純度９９．９９％のものを使用した。これらを所定の仕込み比率で秤量しサンプルとした。それぞれのサンプルはアルゴンガスアーク溶解で溶融し、ボタン状の合金とした。
【００２９】
その後、真空雰囲気中で摂氏９００度、２４時間の熱処理を行なった。これは試料の均質化のためである。真空雰囲気はロータリーポンプおよび油拡散ポンプで減圧し、０．００１（Ｐａ）程度の気圧とした。なお、「Ｐａ」は圧力単位「パスカル」を表す。
【００３０】
均一化処理の後、圧延して０．５ｍｍ程度の厚さにし、長さ３０ｍｍ、幅８ｍｍ程度の短冊状に切り出した。この短冊状のサンプルに溶体化熱処理を施した。溶体化熱処理の手順は、真空雰囲気中において摂氏９００度で３時間熱処理を行なったのち、水中に投入し、急冷した。
【００３１】
次にサンプルと、市販の水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末とを、処理容器に真空封入した。このときの処理容器内は０．０１から０．００１（Ｐａ）程度の圧力である。次に、封入容器を摂氏５００度に保持することにより、サンプルを時効処理した。ここで、水素化チタン（ＴｉＨ２）は摂氏４５０度程度で水素を放出するため封入容器内は水素雰囲気となる。処理容器の容積と放出される水素量を考え、処理中の水素分圧は２０〜３０（ＭＰａ）程度になるように設定した。すなわち、この水素雰囲気中での時効処理は大気圧以上の水素圧力下で行なった。なお、比較用サンプルとして水素雰囲気ではなく、単に真空雰囲気中で時効処理したものも作製した。これらの比較用サンプルは水素が含有されていないサンプルとなる。
【００３２】
時効処理が終了したら処理容器を取り出し、放置空冷した。処理容器が室温まで冷えた後、容器をリークしてサンプルを取り出した。パラメーターとして時効処理時間を変化させた合金を準備した。結局、チタンの含有量の異なるもの、水素雰囲気での時効処理時間の異なるもの、比較用サンプルとして真空雰囲気での時効処理をしたものを作製した。
【００３３】
出来上がった合金の強さはビッカース硬さにて評価した。コネクタ材料としては引っ張り強さより、耐摩耗性が必要で、硬さを調べる方がより直接的である。加重Ｗは１０００（ｇ）で、圧痕の対角線ｄ（μｍ）を測定し、以下の換算式で換算して硬さ（Ｈｖ）を求めた。硬さ（Ｈｖ）＝１８５４．４  ×  Ｗ／ｄ２
なお、「×」は乗算を表す。導電率は四端子法で測定し、標準焼きなまし銅線の値と比較することで％ＩＡＣＳへ換算した。
【００３４】
水素の含有量は、堀場製作所製のＥＭＧＡ−６２１「高感度水素分析装置」を用いて測定した。この装置は、黒鉛るつぼを使い、パージガスとして不活性であるアルゴン（Ａｒ）ガスを用いているので、試料中の窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）元素はそれぞれ、窒素分子（Ｎ２）、水素分子（Ｈ２）として検出される。
【００３５】
図１は、チタン含有量が銅に対して３ａｔ．％の実施サンプルに対して水素雰囲気中の時効処理時間を変化させた場合に、取り込まれる水素の含有量を調べた結果を示すグラフである。縦軸は水素含有量（ｐｐｍ）、横軸は時効処理時間である。横軸縦軸ともに対数表示としている。棒グラフには水素含有量（ｐｐｍ）を（ａｔ．％）に変換した値を併記した。時効処理温度は５００℃である。なお、本明細書ではチタンの含有量とは、銅−チタンを１００（ａｔ．％）に対しての含有量をさす。すなわち、チタンが１（ａｔ．％）あれば銅は９９（ａｔ．％）である。また、水素の含有量は、銅−チタン−水素を１００（ａｔ．％）にした時の水素の含有量をいう。すなわち、水素が１（ａｔ．％）であれば、銅−チタン合わせて９９（ａｔ．％）であるということである。
【００３６】
また、水素含有量（ｐｐｍ）は、質量比を示している。例えばＣｕ−３ａｔ．％Ｔｉ合金において、水素含有量が５００（ｐｐｍ）であった場合、以下の様にしてそれぞれの元素を（ａｔ．％）に変換する。
（１）（Ｃｕ−３ａｔ.％Ｔｉ）をＣｕとＴｉの原子量を考慮し重量比に換算する。この場合Ｃｕ９７．７２％、Ｔｉ２．２８％である。なお、「（Ｃｕ−３ａｔ.％Ｔｉ）」と書いたときは当業者の間ではＴｉが３ａｔ．％、残り９７ａｔ．％がＣｕであることを表す。
（２）（Ｃｕ９７．７２％−Ｔｉ２．２８％）−Ｈ５００ｐｐｍを１００％比に換算する。これは合金１ｇ中に、重量比が、Ｃｕ９７．７２％、Ｔｉ２．２８％である銅−チタン合金が０．９９９５ｇ含まれ、水素が０．０００５ｇ含まれるという意味である。従って、銅、チタン、水素の重量比はそれぞれＣｕ９６．６７％、Ｔｉ２．２８％、Ｈ０．０５％となる。
（３）銅、チタン、水素の原子量に基づいて、原子の数の比に換算する。その結果、Ｃｕ９４．０５ａｔ．％、Ｔｉ２．９１ａｔ．％、Ｈ３．０３ａｔ．％となる。
【００３７】
処理時間０．１時間は、水素中の時効処理を行なわない比較サンプルを示す。この場合の合金中の水素含有量は、０．０１（ａｔ．％）以下であった。一方、本実施例で行なった時効処理の時間に応じて、含有される水素量は増加する。さらに、明らかに、水素雰囲気中時効処理を行なわなかったサンプルと比較して数倍から、数十倍以上の量で含有されているのがわかる。すなわち、本発明で開示する銅-チタン合金への水素導入量は、積極的に導入する工程を行なわなければ、銅-チタン合金に自然に含有される量ではない。言い換えると、本発明の銅−チタン−水素合金における水素は不可避的不純物程度の量ではない。
【００３８】
図２は、水素雰囲気中の時効処理時間を４８時間とした場合に、チタンの含有量に対する水素含有量を調べた結果を表すグラフである。時効処理温度は５００℃である。縦軸は同じく水素量（ｐｐｍ）で、棒グラフの上に（ａｔ．％）に換算した値を記載した。チタンが１（ａｔ．％）の際は、水素とチタンは同程度しかないが、チタン量が２（ａｔ．％）の時に水素が３．５（ａｔ．％）、チタン量が３（ａｔ．％）の時に水素が５．２（ａｔ．％）、チタン量が５（ａｔ．％）の時の水素は７．９７（ａｔ．％）であった。これよりチタン量に対してほぼ１．７倍の水素が含まれている。時効処理によって取り込まれた水素は水素化チタン（ＴｉＨ２）の形で含有されていると予想される。すなわち、ａｔ．％に換算して、少なくともチタンの含有量の２倍までは水素を取り込ませることが可能であるといえる。
【００３９】
図３は、時効処理時間に対する硬さを調べた結果を表すグラフである。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれチタン含有量が１（ａｔ．％）、２（ａｔ．％）、３（ａｔ．％）の場合の結果を示す。丸印は、真空雰囲気中での時効処理した比較用サンプルであり、四角印は水素雰囲気中の時効処理である実施サンプルを表す。それぞれの点を、比較用サンプルは点線で結び、実施サンプルは実線で結んだ。真空雰囲気中で処理を行った比較用サンプルは水素を導入していないため、銅−チタン合金である。
【００４０】
縦軸はビッカース硬さ（Ｈｖ）であり、横軸は時効処理時間（ｈｒ）である。チタンが１（ａｔ．％）の場合（図３（ａ））は、水素導入の有無に関わらず、時効処理に比例して硬さが上昇する。しかし、図には示していないが、純銅を同様に測定すると３５（Ｈｖ）であるので、純銅よりははるかに硬い合金を得ることが出来ている。なお、「純銅」は不可避的量以上の不純物量を含まない高純度の銅のことである。
【００４１】
一方、チタン含有量が２（ａｔ．％）以上の場合（図３（ｂ）乃至（ｃ））は、十数分から数時間の処理時間で硬さは上昇し、純銅の４．５倍から６．５倍の硬さを得る事ができる。その後時効処理時間の経過に従って硬さは下がるが、純銅の２倍を下回ることはない。また、チタンの含有量が２（ａｔ．％）の実施サンプル（図３（ｂ））と比較して３（ａｔ．％）の実施サンプル（図３（ｃ））の方が最大硬さは大きい。すなわち、チタン含有量が増えるに従い得られる最高硬さは大きくなる。
【００４２】
図４は、図３と同様のグラフであるが、縦軸を導電率（％ＩＡＣＳ）にしたものである。この場合は、チタンが１（ａｔ．％）以上の実施サンプル（図４（ａ）乃至（ｃ））で、数時間以上の時効処理によって導電率が７０（％ＩＡＣＳ）程度まで飛躍的に上昇するのがわかる。また、図３（ｂ）および（ｃ）で硬さが上昇した数分から数時間の処理時間でも真空雰囲気中処理の比較用サンプルと比べて導電率は５（％ＩＡＣＳ）程度向上している。
【００４３】
図５および図６には、チタンが４（ａｔ％）と５（ａｔ％）の場合の硬さおよび導電率について、時効処理時間との関係を示す。縦軸および横軸は、それぞれ図３および図４の場合と同じである。なお、図３から図６まで、すべて時効処理温度は５００℃である。図５を参照して、図３との関係をみると、チタンの含有量が増加しているため硬さの最大値がより大きくなっている。例えば、図３（ｃ）のチタンが３（ａｔ％）の場合で水素雰囲気中の処理は、最大硬さでも２３０（Ｈｖ）以下であるのに対し、図５（ａ）のチタンが４（ａｔ％）の場合は２３０（Ｈｖ）以上であり、さらに図５（ｂ）のチタンが５（ａｔ％）の場合は２４０（Ｈｖ）以上となっている。
【００４４】
次に図６を参照して導電率についてみると、図６（ａ）で示すチタンが４（ａｔ％）の場合は、図４で示したチタンが１乃至３（ａｔ％）の場合と、傾向として大きく変化はない。しかし、図６（ｂ）で示すチタンが５（ａｔ％）の場合は、それまでと傾向が変わり、導電率の立ち上がりが早くなっている。例えば、時効処理時間５時間の点を見ると、図６（ａ）の場合は、真空雰囲気中の処理に対して約３０％程度の向上であるのに対して、図６（ｂ）の場合は約２．５倍程度に向上している。さらにこの時の導電率は３０（％ＩＡＣＳ）を超えている。
【００４５】
再び図５（ｂ）のチタンが５（ａｔ％）の場合を参照して、時効処理時間が５時間の場合を見ると、硬さはおよそ２２０（Ｈｖ）である。すなわち、チタンが５（ａｔ％）であるＣｕ−５ａｔ％Ｔｉに対して水素中の時効処理を５時間行なった合金は、導電率が３０（％ＩＡＣＳ）で、硬さが銅の６．５倍の特性を有する。
【００４６】
これを図９の２元系の銅合金の特性図上で考えてみる。図９で銅の引っ張り強度を２００から３００ＭＰａとすると、本発明のＣｕ−５ａｔ％Ｔｉは、６倍以上の硬さを有しているので、１２００から１８００ＭＰａ以上の引っ張り強度を有すると類推できる。しかも導電率は３０（％ＩＡＣＳ）以上を有するので、ベリリウム銅の特性を上回る特性を有する銅合金を得ることができたわけである。
【００４７】
以上の点から、銅−チタン合金に水素を導入することで、銅−チタン合金と同程度の硬さと銅−チタン合金より高い導電率を得ることができ、また導入する水素量でそれらの値を制御できることがわかる。
【００４８】
本発明の銅−チタン−水素合金の特徴は、銅より高い硬さが得られる点であり、その判断基準を銅の硬さの２倍以上の硬さが得られる組成の範囲とすると、チタンが１（ａｔ．％）以上の範囲で効果を得る事ができるといえる。
【００４９】
図７は、銅−チタン二元系状態図を示している。図中で「（Ｃｕ）」と書いたＸの領域はチタンが銅固溶体中に固溶できる組成領域である。例えばＸの領域にあるＡの点の状態（温度、約８８０度）からＣの状態までゆっくり温度を下げると、銅とチタン銅化合物（ＴｉＣｕ４）の２相状態に分離する。このような熱処理履歴では銅の中にチタン銅化合物（ＴｉＣｕ４）が粗大に形成される。また、まだ銅の中に約1ａｔ％のチタン（Ｔｉ）も固溶して残っている。チタン銅化合物（ＴｉＣｕ４）は結晶粒が大きくなるほど全体の強度を高める効果は低減するし、銅の中にＴｉが固溶している状態では導電率も高くならない。
【００５０】
そこで、本発明は、Ａの点の状態から急冷することによって、銅中にチタンが過飽和に固溶した相（過飽和固溶体相）にし、続いて時効処理することで微細にチタン銅化合物（ＴｉＣｕ４）相を分散させることで全体の強度を向上させる。そしてそれと同時に、銅中に固溶して残っているチタンも水素中で時効処理することで、水素化チタン（ＴｉＨ２）という形で析出させ、銅中に固溶しているチタン（Ｔｉ）量を減らす。このようにすることで強度を向上させると同時に、高導電性を引き出す。
【００５１】
従って、理論的には銅固溶体が単相として存在できる組成の銅−チタン合金に関して、高強度化かつ高導電化が可能である。図４から要件を満たすチタンの最大含有量はＸの領域が最も大きくなる７．５（ａｔ．％）であることがわかる。
【００５２】
図３に戻ってチタンの含有量を１、２、３、４、５（ａｔ．％）と変化させるに従い、得られた硬さの最大値は、約９０、１７５、２４０、２５０、２７０（Ｈｖ）と変化する。しかもいずれも銅の硬さである３５（Ｈｖ）の２倍以上の硬さを有する。本実施例ではチタンは５（ａｔ．％）までのデータしかない。しかし、仮にチタン含有量が５（ａｔ．％）の時に銅−チタン−水素合金で得られる硬さが最も大きいと仮定しても、６（ａｔ．％）で得られる硬さは４（ａｔ．％）のチタン含有量で得られる硬さと同程度の硬さであると推定できる。従って、少なくともチタン含有率６（ａｔ．％）までは、本結果より水素導入の効果があると言える。
【００５３】
すなわち、本発明の銅−チタン−水素合金では、チタンの含有量を１（ａｔ．％）以上７．５（ａｔ．％）以下であって、好ましくは１（ａｔ．％）以上６（ａｔ．％）以下の範囲で効果があると言える。
【００５４】
すでに説明したように水素は水素化チタン（ＴｉＨ２）という化合物として取り込まれ、また図２からもチタン含有量の２倍程度までは含有されることが可能である。従って本実施例からは水素は、含有するチタンに対して２倍までは含有させることが出来ると言える。
【００５５】
図４に戻り、水素含有量の下限について考察する。銅−チタン合金に水素を導入すると、取り込まれた水素量に応じて導電率が向上する。その向上は、いずれのチタン量の合金でも１２分（０．２ｈｒ）付近から効果が出始め、少なくとも３０分（０．５ｈｒ）の時効処理効果では、比較用サンプルである銅−チタン合金よりも高い導電率を発現している。
【００５６】
この時の水素含有量は、図１および図２より見積もることができる。すなわち、図２から時効処理４８時間の時のチタン含有量に対する水素の取り込み量の比を求められる。具体的にはチタンが３（ａｔ．％）の時には水素は５．２（ａｔ．％）であり、チタンが１（ａｔ．％）の時には水素は０．８（ａｔ．％）である。図１に戻って、時効処理が０．１時間（６分）の場合は検出限界以下であるので、この時の値を０．０１（ａｔ．％）とする。
【００５７】
そして、図１のグラフ枠にチタンが１（ａｔ．％）の場合の水素含有量をプロットしたものを図８として示す。図８において、縦軸は水素含有量（ｐｐｍ）、横軸は時効処理時間である。横軸縦軸ともに対数表示としている。また、棒グラフには水素含有量（ｐｐｍ）を（ａｔ．％）に変換した値も併記した。図８を参照して１２分（０．２ｈｒ）と３０分（０．５ｈｒ）の水素含有量を推定すると、時効処理時間が１２分の場合は、０．０４（ａｔ．％）であり、３０分の場合は水素含有量が０．０８（ａｔ．％）である。チタン含有量が１（ａｔ．％）以上であればもちろんこの値より大きい。従って、水素含有量はチタン含有量に関わらず、０．０４（ａｔ．％）以上、好ましくは０．１（ａｔ．％）以上が望ましいと言える。
【００５８】
以上をまとめると本発明の銅−チタン−水素合金では、銅の倍以上の硬さが得られるという判断基準の下で、チタンは１（ａｔ．％）以上７．５（ａｔ．％）以下であって、好ましくは１（ａｔ．％）以上６（ａｔ．％）以下の範囲を有する。また水素は下限が、０．０４（ａｔ．％）以上、好ましくは０．１（ａｔ．％）以上であって、上限は含有するチタンの２倍以下の範囲を有する。また、水素導入量の制御によって強度と導電率を設計できる銅−チタン−水素合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】時効処理時間と水素含有量の関係を示すグラフである。
【図２】チタン含有量と水素含有量の関係を示すグラフである。
【図３】時効処理時間と硬度の関係を示すグラフである。
【図４】時効処理時間と導電率の関係を示すグラフである。
【図５】時効処理時間と硬度の関係を示すグラフである。
【図６】時効処理時間と導電率の関係を示すグラフである。
【図７】銅−チタン合金の二元系状態図を示すグラフである。
【図８】チタン１ａｔ．％の場合の時効処理時間と水素含有量を示すグラフである。
【図９】各種合金の導電率と引っ張り強度の関係を示すグラフ
【図１】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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