(57)【要約】【目的】粉末を用いることなしにアルミナ分散強化銅を製造することができ、また大きな圧延機や押出機を用いることなくその製造を達成することができ、分散強化合金の製造に広範囲に適用することが可能な分散強化合金の製造方法と該分散強化合金を用いた抵抗溶接用電極材料を提供する。【構成】マトリックス金属と、該マトリックス金属中に、マトリックス金属より硬く且つ酸化物生成エネルギーがマトリックス金属より低い溶質金属元素の酸化物を分散してなる分散強化合金を製造する方法であって、前記溶質金属元素を含有するマトリックス金属に硬質回転工具を挿入して攪拌することによりマトリックス金属中に酸素を導入した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス金属と、該マトリックス金属中に、マトリックス金属より硬く且つ酸化物生成エネルギーがマトリックス金属より低い溶質金属元素の酸化物を分散してなる分散強化合金を製造する方法であって、前記溶質金属元素を含有するマトリックス金属に硬質回転工具を挿入して攪拌することによりマトリックス金属中に酸素を導入した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする分散強化合金の製造方法。
【請求項２】
前記溶質金属元素を含有するマトリックス金属に金属酸化物を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする請求項１記載の分散強化合金の製造方法。
【請求項３】
マトリックス金属に溶質金属元素を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌することによりマトリックス金属中に酸素を導入した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする請求項１記載の分散強化合金の製造方法。
【請求項４】
マトリックス金属に溶質金属元素と共に金属酸化物を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする請求項３記載の分散強化合金の製造方法。
【請求項５】
マトリックス金属が銅、溶質金属元素がアルミニウム、ジルコニウム、トリウム、イットリウム、ベリリウム、ボロンの１種または２種以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分散強化合金の製造方法。
【請求項６】
前記金属酸化物が酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の１種または２種であることを特徴とする請求項２または４記載の分散強化合金の製造方法。
【請求項７】
マトリックス金属が銀、溶質金属元素がアルミニウム、ジルコニウム、錫、カドミウム、インジウム、ビスマス、アンチモン、珪素の１種または２種以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分散強化合金の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにより製造された分散強化合金に熱間加工、冷間加工、または熱間加工と冷間加工を施して棒材とすることを特徴とする分散強化合金の製造方法。
【請求項９】
請求項８により製造された分散強化合金の棒材に、総外径の３〜２５％の厚さの純銅またはクロム銅からなる外被を被せて抽伸加工を施すことを特徴とする抵抗スポット溶接用電極材料の製造方法。
【請求項１０】
前記抽伸加工の前または途中において、３５０〜８５０℃で０．２５〜５時間の熱処理を行うことを特徴とする請求項９記載の抵抗スポット溶接用電極材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散強化合金の製造方法、とくに、銅マトリックスにアルミナを分散したアルミナ分散強化銅の製造に効果的に使用される分散強化合金の製造方法、および該分散強化合金を用いた抵抗スポット溶接用電極材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナ分散強化銅は、通常、内部酸化法により製造される。内部酸化法は、マトリックス金属中の酸化し易い溶質元素が、表面に酸素がある状態で高温となった場合、酸素がマトリックス中に拡散して、非常に微細な酸化物粒子が分散して存在する層を形成される手法で、酸化物分散強化合金を作製する際には、マトリックス金属が板や棒の場合には、マトリックス中の酸素の拡散が遅く全体を内部酸化させるために長時間を要するため、表面積の大きい粉体が用いられる。
【０００３】
具体的には、所定量のＡｌを含有するＣｕ−Ａｌ合金粉末に酸化銅などの酸化剤を混合して高温に加熱する、あるいはＣｕ−Ａｌ合金粉末を酸化雰囲気中で低温で短時間酸化させた後、中性雰囲気中で高温に加熱することによりＣｕ中のＡｌのみを酸化させ、マトリックス中にアルミナを分散させた材料粉末をつくり、この材料粉末を類似材質の缶に封入して押出すなど、固化、成形することにより製造される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
内部酸化法によれば、マトリックス中に分散するアルミナ粒子の粒径、粒子間隔が微細均一で、強度の高いアルミナ分散材料を得ることができ、耐熱性や耐溶着性に優れているために、抵抗スポット溶接用電極として多く用いられるが、内部酸化法では、粉末を使用するため、粉末の製造、処理にコストがかかるという問題点があり、例えば、最近における自動車関連材料のコストダウンの要求に応じることができない。
【特許文献１】特開平１１−６１２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは、アルミナ分散強化銅の製造における上記の問題点を改善するために、粉末を用いることなくアルミナ分散強化銅を製造することを目的とし、銅マトリックス中にアルミナを形成させるためにアルミニウムを機械的に銅マトリックスに混合し、酸素を導入する方法についての試験、検討過程において、硬質回転工具で可塑性材料を攪拌して材料を流動させる摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）の技術が適用できることを見出した。
【０００６】
本発明は、上記の知見に基づいてさらに検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、粉末を用いることなしにアルミナ分散強化銅を製造することができ、大きな圧延機や押出機を用いることなくその製造を達成することができ、ニアネット形状のものの製造も可能で、アルミナ分散強化銅のみでなく、分散強化合金の製造に広範囲に適用することが可能な分散強化合金の製造方法、および該分散強化合金を用いた抵抗スポット溶接用電極材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための請求項１による分散強化合金の製造方法は、マトリックス金属と、該マトリックス金属中に、マトリックス金属より硬く且つ酸化物生成エネルギーがマトリックス金属より低い溶質金属元素の酸化物を分散してなる分散強化合金を製造する方法であって、前記溶質金属元素を含有するマトリックス金属に硬質回転工具を挿入して攪拌することによりマトリックス金属中に酸素を導入した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする。
【０００８】
請求項２による分散強化合金の製造方法は、請求項１において、前記溶質金属元素を含有するマトリックス金属に金属酸化物を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする。
【０００９】
請求項３による分散強化合金の製造方法は、請求項１において、マトリックス金属に溶質金属元素を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌することによりマトリックス金属中に酸素を導入した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする。
【００１０】
請求項４による分散強化合金の製造方法は、請求項３において、マトリックス金属に溶質金属元素と共に金属酸化物を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌した後、加熱することにより内部酸化させ、マトリックス金属中に溶質金属元素の酸化物を分散させることを特徴とする。
【００１１】
請求項５による分散強化合金の製造方法は、請求項1〜４のいずれかにおいて、マトリックス金属が銅、溶質金属元素がアルミニウム、ジルコニウム、トリウム、イットリウム、ベリリウム、ボロンの1種または２種以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項６による分散強化合金の製造方法は、請求項２または４において、前記金属酸化物が酸化銅が酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の1種または２種であることを特徴とする。
【００１３】
請求項７による分散強化合金の製造方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、マトリックス金属が銀、溶質金属元素がアルミニウム、ジルコニウム、錫、カドミウム、インジウム、ビスマス、アンチモン、珪素の１種または２種以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項８による分散強化合金の製造方法は、請求項１〜７のいずれかにより製造された分散強化合金に熱間加工、冷間加工、または熱間加工と冷間加工を施して棒材とすることを特徴とする。
【００１５】
請求項９による抵抗スポット溶接用電極材料の製造方法は、請求項８により製造された分散強化合金の棒材に、総外径の３〜２５％の厚さの純銅またはクロム銅からなる外被を被せて抽伸加工を施すことを特徴とする。
【００１６】
請求項１０による抵抗スポット溶接用電極材料の製造方法は、請求項９において、前記抽伸加工の前または途中において、３５０〜８５０℃で０．２５〜５時間の熱処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、粉末を用いることなしにアルミナ分散強化銅を製造することができ、大きな圧延機や押出機を用いることなくその製造を達成することができ、ニアネット形状のものの製造も可能で、アルミナ分散強化銅のみでなく、分散強化合金の製造に広範囲に適用することが可能な分散強化合金の製造方法、および該分散強化合金を用いた抵抗スポット溶接用電極材料が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、マトリックス金属と、このマトリックス金属中に、マトリックス金属より硬く且つ酸化物生成エネルギーがマトリックス金属より低い溶質金属元素の酸化物を分散してなる分散強化合金を製造する方法であり、好ましいマトリックス金属としては銅が適用され、溶質金属元素としては、アルミニウム、ジルコニウム、トリウム、イットリウム、ベリリウム、ボロンが例示され、これらの1種または２種以上を適用することができる。最も好ましい溶質金属元素はアルミニウムである。
【００１９】
マトリックス金属として銀を適用し、溶質金属元素として、アルミニウム、ジルコニウム、錫、カドミウム、インジウム、ビスマス、アンチモン、珪素の1種または２種以上を適用することもできる。
【００２０】
本発明においては、溶質金属元素を含有するマトリックス金属、例えば、所定量のアルミニウムを含有する丸棒形状、角棒形状、板形状、その他所定形状のＣｕ−Ａｌ合金材を固定して、材料中に硬質回転工具を挿入し、材料に沿って攪拌、移動させることによって、Ｃｕ−Ａｌ合金材中に酸素が巻き込まれ、材料中に酸素が導入される。ついで、この材料を、例えば真空炉中で高温に加熱、保持することにより内部酸化が進行し、マトリックス金属（Ｃｕ）中に溶質金属元素（Ａｌ）の酸化物（アルミナ）が微細に分散したアルミナ分散強化銅が得られる。
【００２１】
前記溶質金属元素を含有するマトリックス金属、Ｃｕ−Ａｌ合金材に、金属酸化物として酸化銅（ＣｕＯ）粉末、亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）粉末、または酸化銅と亜酸化銅の粉末を、Ｃｕ−Ａｌ合金材の間に介挿するなどの方法で配置し、全体を固定して、酸化銅の配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌すると、酸化銅や亜酸化銅の粉末がＣｕ−Ａｌ合金材中に均一に分散する。ついで、これを、例えば真空炉中で高温に加熱、保持することにより内部酸化が進行して、マトリックス金属（Ｃｕ）中に溶質金属元素（Ａｌ）の酸化物（アルミナ）が微細に分散したアルミナ分散強化銅が得られる。なお、本発明において、酸化剤となる金属酸化物としては、上記の酸化銅、亜酸化銅が最も好適に使用される。
【００２２】
本発明においては、マトリックス金属に溶質金属元素または溶質金属元素と共に金属酸化物を配置し、該配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌してもよい。具体的な実施形態としては、マトリックス金属として、例えば所定形状の純銅材に溝、穴、凹み、間隙などを形成し、そこに溶質金属元素として、例えば純アルミニウム、Ｃｕ−Ａｌ合金（Ｃｕ−Ａｌ合金中のＡｌが溶質金属元素として機能する）の粉末、粒子、板、箔、線を配置し、配置部に硬質回転工具を挿入して攪拌する。
【００２３】
この場合、１〜複数の回転工具を使用することもでき、回転工具を前記配置部に挿入して、挿入した状態で、直線状、曲線状、渦巻き状に１〜複数回移動させ、材料全体を攪拌することにより、マトリックス金属中に純アルミニウムやＣｕ−Ａｌ合金が均一に分散するとともに、酸素が導入され、ついで、これを、例えば真空炉中で高温に加熱、保持することにより内部酸化が進行して、マトリックス金属（Ｃｕ）中に溶質金属元素（Ａｌ）の酸化物（アルミナ）が微細に分散したアルミナ分散強化銅を得ることができる。
【００２４】
上記の方法において、溶質金属元素の純アルミニウム、Ｃｕ−Ａｌ合金の粉末、粒子、板、箔、線と共に、酸化剤として作用する酸化銅粉末、亜酸化銅粉末をマトリックス金属の純銅材の溝、穴、凹み、間隙に配置し、配置部に硬質回転工具を挿入して、上記と同様に攪拌してもよく、純アルミニウムやＣｕ−Ａｌ合金、酸化銅、亜酸化銅が銅マトリックスに均一に分散し、ついで、これを、例えば真空炉中で高温に加熱、保持することにより内部酸化が進行して、マトリックス金属（Ｃｕ）中に溶質金属元素（Ａｌ）の酸化物（アルミナ）が微細に分散したアルミナ分散強化銅を得ることができる。
【００２５】
上記内部酸化工程における加熱は、７００〜１０５０℃の温度域で行うことが望ましく、本発明の方法によりアルミナ分散強化銅を製造した場合、アルミナ濃度が０．０５〜２質量％、アルミナ粒子の８０％以上を粒径１μｍ以下としたものを得ることができ、アルミナ粒子の８０％以上を粒径０．１μｍ以下としたものを得ることも可能となる。
【００２６】
以上、主として、溶質金属元素としてアルミニウムを含有し、アルミナを分散させたアルミナ分散強化銅について述べたが、所定量のＴｉを含有するＣｕ−Ｔｉ合金にＢを混入し、反応熱処理によりボロニアと共にＴｉＢ２粒子を分散形成させた、ホウ化物分散強化銅を製造する場合にも本発明を適用することができる。また、本発明を適用して、前記の銀をマトリックス金属とする分散強化銀、例えば溶質元素としてアルミニウムを含有し、アルミナを分散させたアルミナ分散強化銀を製造するすることもできる。
【００２７】
上記の方法により製造された分散強化合金の好ましい適用例としては、例えば抵抗スポット溶接用電極材料が挙げられる。抵抗スポット溶接用電極材料の製造においては、まず、製造された分散強化銅に熱間加工、冷間加工、または熱間加工と冷間加工を施して棒材とする。熱間加工としては、例えば押出加工、熱間鍛造加工が挙げられ、冷間加工としては、例えば冷間鍛造加工、圧延加工、引き抜き加工、スエージングが挙げられる。
【００２８】
ついで、得られた分散強化合金の棒材に、総外径の３〜２５％の厚さの純銅またはクロム銅からなる外被を被せて抽伸加工を施す。純銅またはクロム銅からなる外被が総外径の３％未満では、良好なスポット溶接部が得難く、スポット溶接用電極材料として好ましくない。２５％を超えると、分散強化合金を用いる効果が薄れ、電極の寿命が短くなる。
【００２９】
前記抽伸加工の前または途中において、３５０〜８５０℃で０．２５〜５時間の熱処理を行うことが望ましく、この熱処理によって、棒材と外被との密着性向上を図ることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例を説明し、その効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
実施例１
Ｃｕ−０．３ｍａｓｓ％Ａｌ合金の鋳塊（直径９６ｍｍ、長さ１８０ｍｍ）を直径９０ｍｍまで面削した後、直径９０ｍｍから直径２０ｍｍに熱間押出加工（押出温度：８００℃）した。得られた直径２０ｍｍの押出棒を鋼管に挿入し、鋼管を長さ方向に１０ｍｍ幅を切除して、１０ｍｍ幅の隙間から押出棒が長さ方向に露出するようにした。
【００３２】
上記鋼管の隙間から露出した押出棒に、前後に並べて配置した鋼製回転工具を２０００ｒｐｍで回転させて挿入し、挿入した状態で攪拌しながら、押出棒の長さ方向に１００ｍｍ／分の速度で1回移動させた。その結果、攪拌部の温度は４００℃に達し、Ｃｕ−Ａｌ合金中に０．４ｍａｓｓ％の酸素が導入された。
【００３３】
酸素が導入された押出棒を、鋼管から取り出し、真空炉中で、８５０℃の温度で１ｈ加熱、保持して内部酸化させ、その後、直径１６ｍｍまで冷間抽伸を行った。化学分析を行ったところ、アルミナ量は０．６ｍａｓｓ％であった。
【００３４】
得られたアルミナ分散棒から抵抗スポット溶接用電極を鍛造加工し、厚さ１ｍｍの亜鉛めっき鋼板の連続打点溶接を行ったところ、従来の内部酸化法で製造された市販のアルミナ分散強化銅（アルミナ量：０．６ｍａｓｓ％）から鍛造加工して成形された抵抗スポット溶接用電極と比べ、同等（約２０００打点）の寿命をそなえていた。
【００３５】
実施例２
Ｃｕ−０．１ｍａｓｓ％Ａｌ合金の鋳塊（直径９６ｍｍ、長さ１８０ｍｍ）を直径９０ｍｍまで面削した後、直径９０ｍｍから厚さ２ｍｍ、幅３０ｍｍの板状材に熱間押出加工（押出温度：８５０℃）し、厚さ２ｍｍ、幅２５ｍｍに成形した。
【００３６】
この板状材を２枚重ね、その間にＣｕＯ粉末を０．５ｇ／ｍ２となるよう介在させて鋼製ジグに装着、拘束し、板状材に鋼製回転工具を１５００ｒｐｍで回転、挿入して、板状材の長さ方向に４００ｍｍ／分の速度で５回移動（２往復半）させた。
【００３７】
ついで、真空炉中で、８５０℃の温度で１ｈ加熱、保持して内部酸化させた後、厚さ０．２５ｍｍまで熱間圧延した。化学分析を行ったところ、熱間圧延板のアルミナ含有量は０．１７ｍａｓｓ％であり、ＩＣなどのリードフレーム用材料として適した引張強さ、繰り返し曲げ性、耐食性、耐熱性、電気伝導性をそなえていることが確認された。
【００３８】
実施例３
Ａｇ−１．０ｍａｓｓ％Ｓｎ合金の鋳塊（幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ）の平面部に、鋼製回転工具を１５００ｒｐｍで回転させて挿入し、挿入した状態で攪拌しながら、幅方向の一端部において５０ｍｍ／分の速度で長さ方向に１列移動させ、幅方向の一端部から多端部において同じことを繰り返して１０列移動させ、前記平面部のほぼ全面を攪拌した。
【００３９】
ついで、窒素ガス雰囲気中で、８５０℃の温度で３ｈ加熱、保持してＳｎを内部酸化させた。化学分析を行ったところ、酸化錫量は１．７ｍａｓｓ％であった。
【００４０】
その後、冷間鍛造加工を施して棒材とし、この棒材に、棒材の総外径の１０％厚さの純銅の外被を被せ、抽伸加工を行って直径１６ｍｍの抵抗スポット用電極を作製した。この電極を用いて、厚さ１ｍｍの亜鉛めっき鋼板の連続打点溶接を行ったところ、従来の内部酸化法で製造された市販の酸化錫分散強化銀（酸化錫量：１．７ｍａｓｓ％）から鍛造加工して成形された抵抗スポット溶接用電極と比べ、同等（約１５００打点）の寿命をそなえていた。