(57)【要約】【課題】Ｃｕのような高導電性金属とＷのような高融点で高硬度の金属からなる焼結合金を、安価な手段で、且つ、安定して高密度化でき、とくに、低中負荷用電気接点あるいは放電加工電極に適した合金とするための手段を提供する。【解決手段】高導電性金属の酸化粉末と高融点で高硬度の金属の酸化粉末を混合・粉砕し、水素雰囲気中で共還元して得られた混合微細金属粉末を加圧成形後、焼結によって得られた高導電性金属中に高融点で高硬度の金属粒子が一様に分散した合金であって、前記高融点で高硬度の金属粒子の平均粒径が１μｍ以下とする。【選択図】    なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高導電性金属の酸化粉末と高融点で高硬度の金属の酸化粉末を混合、粉砕し、水素雰囲気中で共還元して得られた混合微細金属粉末を加圧成形後、焼結によって得られた高導電性金属中に高融点で高硬度の金属粒子が一様に分散した合金であって、前記高融点で高硬度の金属粒子の平均粒径が１μｍ以下である焼結合金。
【請求項２】
高導電性金属がＡｇあるいはＣｕで、高融点で高硬度の金属がＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいは少なくともそれらの２種以上を含む合金あるいは金属間化合物である請求項１に記載の焼結合金。
【請求項３】
高融点で高硬度の金属粒子の平均粒径が０．５μｍ以下であり、かつ、その分散量が全量中０．５〜２０容積％であり、固相焼結後に塑性加工し、熱処理した高導電性で高硬度である請求項１または請求項２に記載の焼結合金。
【請求項４】
塑性加工の種類が鍛造、圧延、絞り加工のうち１種または２種以上である請求項３に記載の焼結合金。
【請求項５】
用途が電気接点用である請求項３または請求項４に記載の焼結合金。
【請求項６】
高融点で高硬度の金属粒子の分散量が全量中３０〜９０容積％であり、液相焼結した請求項１または請求項２に記載の焼結合金。
【請求項７】
用途が放電加工用電極である請求項１，請求項２または請求項６に記載の焼結合金。
【請求項８】
ホウ素、ホウ化物またはホウ酸化物のうち１種以上、あるいは、水素化合物を０．０５〜１０．０質量％添加した請求項６または請求項７に記載の焼結合金。
【請求項９】
平均粒径が１．０μｍ以下の高融点で高硬度の金属粒子を一様に分散し、その分散量が全焼結体中０．５容積％〜２０容積％である塑性加工可能な焼結合金の製造法であって、高導電性金属の酸化粉末と高融点で高硬度の金属酸化粉末を混合、粉砕し、水素雰囲気中で７００℃〜９００℃の温度範囲で共還元して混合微細金属粉末を得、この混合微細金属粉末を加圧成形後、焼結する焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気接点材、抵抗溶接用電極、半導体用リードフレーム、複合超電導線、電気伝導性バネ、磁場発生用コイル、ワイヤーハーネス、熱交換器、摺動通電部材、放電加工用ワイヤー材、放電加工用電極材等に用いられる高導電性金属と高融点で高硬度の金属からなる焼結合金とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高導電性金属と高融点で高硬度の金属からなる焼結合金自体は、古くから知られており、例えば、特許文献１には、ＡｇあるいはＣｕのような電気伝導性に優れた金属母材にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂ等の高融点で高硬度の金属粒子を均一に分散した高導電性を有する高硬度焼結金属材料が開示されており、その製造法として、ＨＰ、あるいはＨＩＰにより加圧焼結する方法が採られている。
【０００３】
ところが、ＨＰでは、単純形状の板材しか作製できないために、連続生産ができないだけでなく、ＨＰ後にワイヤーカットやフライス盤、マシニングセンタなどによる電気加工、機械加工を行う必要があり、コストが嵩む原因となっている。
【０００４】
また、ＨＩＰ法はその炉の設置、保守に莫大なコストがそもそも必要である。
利用が可能であるとしても、通常の焼結に比べて高価であるアルゴンガスやその他の希ガスを大量に必要とするために、やはりコスト高となる。さらに、数量が少ないときは著しく効率が悪くなる。
【０００５】
また、特許文献２には、出発原料として、Ｃｕのような導電性金属と、高融点で高硬度の金属のそれぞれの金属単体粉末を使用した際、理論密度の焼結体が得られないという欠点を排除するために、ＣｕとＷそれぞれの酸化物を出発原料とし、これを機械的に高速混合し、それに続いて還元処理し、これを成形焼結することにより、理論密度に近い密度を有するとされた放熱用のＣｕ−Ｗ合金が開示されているが、とくに、接点材料あるいは放電加工電極への適用のため必要な特性を得るための条件についての解明は充分になされてはいない。
【０００６】
また、特許文献３には、スケルトン構造の焼結体にＣｕを溶浸する溶浸法によってその密度を高めた放電加工用電極用のＣｕ−Ｗ合金が開示されている。ところが、溶浸法によって得られた合金は、高融点で高硬度の金属を主体としたスケルトン構造の焼結体を得る際に、これを均一な組織とすることが難しく、そのため、その空隙に高導電性金属を溶かし込むことで得られた合金の組成が安定しないことから、放電加工電極に適用した場合、放電加工特性が安定しないという問題がある。また、スケルトン構造の焼結体を得ることと、これに高導電性金属を溶かし込むことの二段階の作業を必要とし、手間とコストがかかるという問題点もあった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１６７５２０号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０−６０５５３号公報
【０００９】
【特許文献３】
特願２００２−２０３２２４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、係る焼結合金を、安価な手段で、かつ、安定して高密度化でき、とくに、低中負荷用電気接点あるいは放電加工に適した合金とするための手段を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＡｇあるいはＣｕのような高導電性金属の酸化粉末と、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいは少なくともそれらの２種以上を含む合金あるいは金属間化合物である高融点で高硬度の金属の酸化粉末を混合、粉砕し、水素雰囲気中で共還元して得られた混合微細金属粉末を加圧成形後、焼結によって得られた高導電性金属中に高融点で高硬度の金属粒子が一様に分散した合金であって、前記高融点で高硬度の金属粒子の平均粒径が１μｍ以下であり、それ自体が高密度の焼結合金である。
【００１２】
以上の焼結合金を用いることにより、前記課題を解決できる接点材料および放電加工用電極を得ることができる。すなわち、放電加工用電極については微細な高融点粒子が均一に分散しているために長寿命で精度良い加工を行うことができる。また、電気接点材料としては硬度、導電性が従来の方法にて得られたものと同等である電気接点材料が、ＨＰ法やＨＩＰ法を用いる従来方法と比較して安価に得られる。
【００１３】
前記の酸化物の混合粉末を共還元して、混合金属粉末とするためには、共還元の条件として、７００℃〜９００℃で水素雰囲気であることが品質および量産効率の観点から最も適している。
【００１４】
また、とくに、接点用材料については前記焼結後の合金は、鍛造、圧延、絞り加工等のような塑性加工が可能で、共還元して得られた混合微細金属粉末を加圧成形後、焼結によって得られた比較的高密度の高導電性で高硬度の焼結金属を常温下で鍛造、圧延、絞り加工等のような塑性加工をして、内蔵されるポアを圧縮し、これを加熱処理することで消滅させて、高密度化が達成できる。
【００１５】
得られた接点は、高導電性の延性金属を８０容積％以上含み、高融点で高硬度の金属粒子を均一に微細分散させた金属材料であり、一般の溶製金属材料と同様に鍛造、圧延、絞り加工等のような塑性加工が可能で、熱処理を適宜施すことができる。そのため、鍛造、圧延、絞り加工、等のような塑性加工が可能で熱処理を施して高密度化が達成できる。
【００１６】
また、焼結、鍛造、圧延、絞り加工等のような塑性加工が可能で、さらには、熱処理温度は、構成金属粒子の粒成長を抑制し、最終製品寸法精度を保持するために、液相出現温度以下である方がよい。
【００１７】
放電加工用電極については、従来技術である溶浸法で作製したものは溶浸ムラが現れるために、使用時の放電が不均一になり、電極の消耗が速くなり、また、被加工物の面が粗れる。
【００１８】
これに対し、本発明の製造方法を用いると、平均粒径が１μｍ以下の高融点で高硬度の金属粒子が均一に分散しているために、ムラなく放電ができ、高い面精度を得ることができ、消耗も安定する。
【００１９】
さらに放電加工用電極については、その特性を改善するためのドープ剤を任意添加配合できる。例えば、その特性を改善するために、ホウ素、ホウ化物またはホウ酸化物のうち１種以上、あるいは、水素化物を０．０５〜１０．０質量％添加することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を高硬度で高融点の金属としてＷを、高導電性金属としてＣｕを用いたＣｕ−Ｗ合金に適用した実施例に基づいて、その実施の形態を説明する。
【００２１】
実施例１
本発明を電気接点材に適用した例について示す。
【００２２】
平均粒径が０．５５μｍのＷＯ３粉末と、平均粒径が３．３μｍのＣｕ２Ｏ粉末の混合粉末を水溶媒で４時間、アトライター混合機による混合粉砕を行った後、８００℃の水素気流中２時間で共還元して、Ｃｕ−５容積％Ｗ合金粉末とした。この合金粉末をφ２０ｍｍ  ×  １．５ｍｍのサイズに約９００ＭＰａで加圧成形後、水素雰囲気の下で、９００℃で１時間焼結した。得られた焼結体は、平均粒径が０．４μｍのＷ粒子が均一に分散した組織であり、この焼結体を冷間鍛造として鍛造圧３０トンにて３回の鍛造を連続的に行い、その後に９００℃で６０分の熱処理を行い高密度化した。
【００２３】
比較例として、従来の技術であるＨＰ法にて行った例を示す。実施例１と同様の粒度組成と成分組成を持つＣｕ−５容積％Ｗ合金粉末をパンチ面形状５２．５ｍｍ×５２．５ｍｍのモールドにて２０ＭＰａで加圧、９５０℃の大気中１時間の条件でＨＰ処理して焼結体を得た。
【００２４】
本発明の実施例と比較例の試料について導電率、室温硬さについて測定した。
測定の結果、本発明の試料は導電率８５．１（ＩＡＣＳ％）、硬さ１４４（Ｈｖ）であり、比較例の試料は導電率８４．０（ＩＡＣＳ％）、硬さ１４４（Ｈｖ）であった。電気接点材料として使用する際には、その用途や使用時の電流電圧、使用環境などに応じて求められる特性は変わるが、使用可否の目安となる値は導電率７０（ＩＡＣＳ％）以上、かつ、硬さ１３０（Ｈｖ）以上である。本発明の電気接点材は充分な特性を有していた。
【００２５】
同様の方法にて組成を変えＣｕ−Ｗ合金を作製した。Ｗが０．５〜２０容積％の試料について同様の評価測定を行ったところいずれも導電率は７２．０〜９５．４（ＩＡＣＳ％）、硬さは１３５〜１６０（Ｈｖ）と良好な値を示した。しかしながら、本発明の範囲外であるＣｕ−０．４容積％Ｗ合金は硬さが充分でなく１２１（Ｈｖ）であり、また、同じく範囲外であるＣｕ−２５容積％Ｗ合金は導電率が６３（ＩＡＣＳ％）であり、望む特性は得られなかった。
【００２６】
また、上記Ｃｕの代わりに高熱導電性金属であるＡｇやＡｕ、Ｐｔを使用したところ同等の効果が得られた。さらにＷの代わりに高融点で高硬度であるＭｏを使用した際も同様の効果が得られた。
【００２７】
本発明の実施例の試料は、導電率が比較例と同等に高い値を示した。導電率が高いと、電気が熱に変換されにくいために、電気ロスが少なく、また接点部の発熱も少なく押さえられ、接点部の寿命や部分的温度上昇の防止に効果がある。また、機械的摩耗による寿命を左右する材料の硬さについても従来の方法のものと比較して同等であった。本発明の試料は実際の電気接点材料を製造する際には、製品形状に近い形状にて成形および焼結を行うことができる。そのために単純な板形状しか焼結できずに、また、焼結後に機械加工や電気加工により大幅に加工が必要なＨＰ法を用いる方法と比較して大きく製造コストを下げることができた。
【００２８】
以上のように本発明の場合、焼結後、鍛造と熱処理を施すことでＨＰ材と同等の導電性と硬さを示し、中、低負荷の電気接点の用途に使用できるものであった。
【００２９】
また、比較例としてＨＰ法を用いた方法を示したが、その他の従来技術としては、焼結後にＨＩＰする方法が上げられる。しかしながら、この方法は一度焼結した後にＨＩＰ炉で加熱および加圧処理するため、ＨＰ法以上にコスト高になることは明らかである。
【００３０】
従来ＨＰ法またはＨＩＰ法にて製作していた方法と比較して、焼結後の加工またはＨＩＰ処理に対する費用が必要ないために著しく低コストで製作することができる。
【００３１】
実施例２
この実施例は、本発明を放電加工用電極に適用した例を示す。
【００３２】
平均粒径が０．５５μｍのＷＯ３粉末と、平均粒径が３．３μｍのＣｕ２Ｏ粉末の混合粉末を水溶媒で４時間、アトライター混合機による混合粉砕を行った後、８００℃の水素気流中２時間で共還元して、Ｃｕ−５０容積％Ｗ合金粉末とした。この合金粉末を約１００ＭＰａで加圧成形後、水素雰囲気の下で、１２００℃で１時間焼結し、切削加工でφ７ｍｍ×５０ｍｍに成形した。また、同様の条件にてＣｕとＷの量を変えて実験を行った。
【００３３】
また、ホウ化物については、ＳｒＯとＢ２Ｏ３の複合酸化物を１０００℃で１時間の焼成を行いＳｒＢ２Ｏ４としたものをＷＯ３とＣｕ２Ｏをアトライターで混合する際に１．０質量％添加し、上記と同一条件で放電加工用合金を得た。また、ＳｒＢ２Ｏ４量を変え、同様の実験を行った。
【００３４】
水素化チタン、水素化ジルコニウムについても同様にＷＯ３とＣｕ２Ｏをアトライターで混合する際に添加し、上記と同一条件で放電加工用合金を得た。
【００３５】
比較例として、溶浸法を用いて同様の成分組成を持つＣｕ−５０容積％Ｗ合金を作製し、被加工材にはＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を用いて、トランジスター型放電加工機での放電加工速度、消耗性、表面粗さについての比較を行った。電極の消耗率の評価は、（電極消耗体積／加工体積）×１００（％）の計算式にて求めた。さらに、高導電性金属をＡｇ、高融点で高硬度の金属をＭｏとして、同様の実験を行った。以上の実施例と比較例の材料の組成にて実験を行った結果を表１中の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７及びＮｏ．３１〜Ｎｏ．３３に示す。
【００３６】
その結果、放電加工速度が速く、かつ消耗も少ない加工が可能であり、また、被加工面の面粗さも低減でき、優れた放電加工電極が得られた。
【００３７】
さらに、この放電加工電極材に各種ドープ剤を添加し、ドープ剤を添加しない場合とともに、比較例として溶浸法によって作製した例を比較例として、それぞれの放電加工電極材の加工速度における電極消耗率を調べた。本発明の実施例である試料Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１４及びＮｏ．２１〜Ｎｏ．２３は、比較例である試料Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１５及びＮｏ．１６の試料に比べ、その特性は各段に優れていることが判る。
また、本発明の実施例の場合も、ドープ剤の添加によって、その特性はさらに改善されていることがわかる。これらの結果も表１に併せて示す。
【００３８】
【表１】
2004190084.tif 000002
【００３９】
【発明の効果】
１．  粉末を製品形状に近い形でかつ連続して圧粉成形できるため、歩留および生産性が向上しかつ生産コストが低くなる。
【００４０】
２．  焼結時に加圧を必要としないため連続焼結が可能であり、生産性が向上しかつ生産コストが低くなる。
【００４１】
３．  さらに鍛造、熱処理を適宜施すことで従来の金属材料と同等の接点材料に適した高導電性、高硬度金属材料を得ることができる。
【００４２】
４．  また、本発明の合金を放電加工電極に適用した場合、放電加工速度が速く、かつ消耗も少ない加工が可能であり、また、被加工面の面粗さも改善できる。
【００４３】
５．  さらに、ホウ化物その他のドープ剤を添加することにより、さらに放電加工速度、消耗性、面粗さといった放電加工特性が優れた合金となり、水素化物の添加ではホウ化物を添加した合金よりも優れた放電加工特性の合金となる。