(57)【要約】【課題】電気接点材、抵抗溶接用電極、半導体用リードフレーム、摺動通電部材、放電加工形ワイヤー材などに使用する、従来の金属材料における硬さ不足を解消して、その適用時の加熱温度その他の環境条件によってもその特性が劣化することのない高伝導性でかつ高硬度の金属材料を得ることを課題とした。【解決手段】Ａｇ０．５〜２０重量％とＣｕ８０〜９９．５重量％とからなるＣｕ−Ａｇ系合金中に、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅなどの粒子を分散した金属材料を作製することにより前記課題を解決した。本発明の金属材料は、従来のものと同等の導電性を持ちながら、ＣｕとＡｇの析出硬化により、より高い硬さを得た。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇ０．５〜２０重量％とＣｕ８０〜９９．５重量％とからなるＣｕ−Ａｇ系合金中に、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいはそれらの金属間化合物から選ばれる１種または２種以上の粒子が分散された構造を有し、前記Ｃｕ−Ａｇ系合金が全体の８０〜９９．５体積％を占め、前記粒子が全体の０．５〜２０体積％を占めることを特徴とする金属材料。
【請求項２】
Ｃｕ０．５〜２０重量％とＡｇ８０〜９９．５重量％とからなるＡｇ−Ｃｕ系合金中に、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいはそれらの金属間化合物から選ばれる１種または２種以上の粒子が分散された構造を有し、前記Ａｇ−Ｃｕ系合金が全体の８０〜９９．５体積％を占め、前記粒子が全体の０．５〜２０体積％を占めることを特徴とする金属材料。
【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、高電気伝導性ばね、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などに好適に使用できる高伝導性、高硬度の金属材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、かかる用途に適した金属材料として、ＡｇあるいはＣｕなどに種々の分散材を分散した金属材料が知られている。
例えば、特許文献１には、分散粒子としてＡ１２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＴｉＮ、Ｂ４Ｃを含み、かつ、Ｃｕマトリックスの母相領域を規定したものが、また、特許文献２には、分散粒子としてＴｉＢ２粒子の他にそのウィスカーを添加分散したものが開示されている。
この分散強化型Ｃｕ系材料は、Ｃｕ母材が有する高い電気伝導度を維持した上に、特に分散材によって高い機械的強度を得ることができるという利点がある。ところが、かかる従来の分散強化型金属材料は、加熱時に種々の問題が生じる。例えば、分散材としてＡ１２０３やＴｉＢ２などの化合物を使用した分散強化型Ｃｕ系材料を接点材として使用した場合には、接点開閉時のアーク熱によって、分散粒子が分解して、その分解した金属がマトリックス金属に固溶してマトリックス金属本来の遮断特性が損なわれる。あるいは、マトリックス金属自体の融点が低下して、同時に電気伝導度が低下して、ジュール熱が発生して耐溶着性が低下する。さらには、分散材として、ウィスカーあるいは繊維質材を使用した場合には、マトリックス金属と剥離して、分散強化の機能をなくしてしまうという間題があった。
これらの問題を解決するために本出願人は特許文献２に示すような、ＡｇあるいはＣｕからなる電気伝導性に優れた金属母材にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｎｂ、あるいはそれらの金属間化合物を含む材料を考案した。この材料は十分な諸特性を備えていたが、常温硬さはビッカース硬さで１８０（ＨＶ）であり、Ｃｕ−Ａｌ２Ｏ３系材料などと比較すると十分に硬いが、より使用条件の厳しい接点材料や、抵抗溶接用電極として使用する際には、まだ硬さが不足していた。
【特許文献１】特開平２‐２１３４３３号公報
【特許文献２】特公平７‐５７４２２号公報
【特許文献３】特開平９−１６７５２０号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような分散強化型金属材料における硬さ不足を解消して、その適用時の加熱温度その他の環境条件によってもその特性が劣化することのない高伝導性でかつ高硬度の金属材料を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明はＡｇ０．５〜２０重量％とＣｕ８０〜９９．５重量％とからなるＣｕ−Ａｇ系合金中に、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいはそれらの金属間化合物から選ばれる１種または２種以上の粒子が分散された構造を有し、前記Ｃｕ−Ａｇ系合金が全体の８０〜９９．５体積％を占め、前記粒子が全体の０．５〜２０体積％を占めることを特徴とする金属材料である。また、請求項２に記載の本発明は前記請求項１に記載の材料中のＡｇとＣｕとを置換した組成を有する金属材料である。
Ｃｕ中にＡｇを３〜２０重量％以下含む合金は、その製造時の焼結温度にてＡｇがＣｕマトリックスへ固溶した状態である。その後の冷却過程で、Ｃｕ中のＡｇの固溶量が減少し、ＡｇがＣｕマトリックスへ析出する。そのために、この合金は析出硬化により硬度が向上する。その際にＡｇが０．５重量％より少なければ析出硬化が十分起こらず、また、２０重量％より多ければ部材の一部に冷却時にポアが生じ硬度が低下するために好ましくない。
また、ＣｕとＡｇとを置換しても、前記と同様の現象が起こる。
さらに、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいはそれらの金属間化合物からなる本発明の分散粒子は、伝導度が高く、高温硬さが十分に高く、高温においても合金マトリックスへはほとんど固溶しないため、高温時にも、合金の特性が維持できて合金と同等の高い伝導度が得られるとともに、高温時の硬さにおいても優れている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の金属材料は以下の方法により得ることができる。
Ｃｕ粉末とＡｇ粉末と高融点金属粉末とを所定の組成に配合し、非酸化性ガスで封入した高エネルギーミルで混合して、ＡｇとＣｕの合金に微細な高融点金属粒子が分散した合金粉末が得られる。
このような合金粉末は酸化銅と酸化銀とＷ、Ｍｏ、Ｒｅなどの酸化物粉末を高エネルギーミルで混合し、還元雰囲気中で還元して得ることもできる。この場合、酸化銀粉末の替わりに金属銀粉末を用いてもよい。
得られた合金粉末を熱間静水圧プレス法、ホットプレス法などで加圧焼結する。得られた焼結体を圧延加工することで板材が得られる。線材製作の場合は、合金粉末をＦｅあるいはＣｕ製カプセルに封入して押出し加工した棒材をスエージ、引抜き加工すれば良いし、前記カプセルを直接スエージ、引抜き加工することも可能である。
さらに、合金粉末を金型で成型して圧粉体とし、非酸化性雰囲気で焼結した後鍛造すれば、複雑な形状のものを得ることもできる。
また、添加金属および添加化合物としてのＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｎｂあるいはそれらの金属間化合物は特許文献３にも記載のあるように、全体の０．５体積％〜２０体積％が適当である。その範囲内では、分散した添加金属および添加化合物の作用で金属材料が充分な硬度と導電性を備え持つ。しかしながら、添加金属および添加化合物量が０．５体積％以下であれば、充分な硬度や耐熱性は得られない。また、添加金属および添加化合物量が２０体積％以上であれば、硬さは向上するが導電性が著しく劣化する。そのために前記範囲の必要がある。
また、同様に各添加金属および添加化合物は粒子の数が多いほどその作用（硬さの向上、耐アーク性の向上など）が顕著に表れる。そのために、それらの粒子径は小さければ小さい程よく、また、摩耗や消耗が均一に現れやすい略球形状が好ましい。
また、本発明の得られた金属材料は、必要に応じて鍛造加工、圧延加工などの塑性加工を加えることにより加工硬化が起こり、更に硬さや高強度を得ることができる。
【０００６】
以下実施例により詳細に本発明を説明する。
【０００７】
【実施例】
（実施例１）
本実施例では、Ａｇ１０重量％とＣｕ９０重量％とからなるＣｕ−Ａｇ系合金中に、分散金属として、平均粒子径が０．２μｍのＷ粒子を含む材料を得た場合の分散金属の分散量とその特性との関係を調べた。
まず、試料Ｎｏ．１の試料として、純度９９．５％のＣｕ粉末９０重量％と、純度９９．５％のＡｇ粉末１０重量％とをアルゴンガス封入したボールミルを用いて４０時間混合し、全体に対するＷの体積％が０〜２５ｖｏｌ％の組成の混合金属粉末を得た。これを９００℃で１時間のホットプレスを行いＣｕ−１０重量％Ａｇ合金中にＷが分散した焼結体とした後、室温での電気伝導度と硬さ測定を行った。組織観察によると、平均粒子径が０．２μｍのＷ粒子がＣｕ−１０体積％Ａｇマトリックス中に分散した組織であった。図１は、このＣｕ−Ｗ焼結体の室温での硬さを示す。この図に比較例として、同様の工程にて作成された特許文献３に示されているＣｕ中にＷが分散した焼結体の硬さも合わせて記載する。この試料を試料Ｎｏ．１１とする。
【０００８】
本発明の金属材料は、いずれもＷ含有量の増加とともに電気伝導度は低下したが、Ｗ含有量が２０ｖｏｌ％以下であれば導電率は全ての試料について７５ＩＡＣＳ％以上であり、軽・中負荷の電気接点の用途には充分に使用できるものであった。また、この導電性についての特性は特許文献１の試料である試料Ｎｏ．１１と同等であった。硬さについては、本発明の試料である試料Ｎｏ．１は冷却時にＣｕとＡｇの析出硬化が起こるために、Ｗを１５体積％以上含む試料について硬さが２００（ＨＶ）を上回った。それに比較して、試料Ｎｏ．１１の試料はＷを２５体積％含む場合でも硬さは２００（ＨＶ）に達さなかった。
【０００９】
また、表１および表２に示す試料Ｎｏ．２〜９および試料Ｎｏ．１２〜試料Ｎｏ．１８の組成、添加物にて同様の試験を行った。これらの結果を図２〜図５に示す。
【００１０】
図１、図２及び図３の結果から、本発明の合金の材質を本発明に示す範囲のＣｕとＡｇの合金とすることにより、他の特性を劣化させることなく、より高い硬度を有す金属材料を得ることができた。
これに対し、図４および図５の結果から合金が本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１１〜試料Ｎｏ．１７は比較試料１１と硬さは大差なく、本発明の金属材料と比較して充分な硬さを得ることができなかった。
また、試料Ｎｏ．１８のように、金属粒子を本発明の範囲外である金属粒子とした場合は充分な硬さが得られなかった。
さらにまた、合金が本発明の範囲であるＣｕ−Ａｇ系合金であっても、試料Ｎｏ．１９のように金属粒子を添加しない試料は硬さが得られなかった。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
【表２】
2004315841.tif 000003
表２の＊印のついた試料は本発明の範囲外の比較試料である
【００１３】
（実施例２）
次に、実施例１の試料の中から本発明の試料として試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．３を、比較試料として試料Ｎｏ．１１、試料Ｎｏ．１２、試料Ｎｏ．１８を選択し、それぞれＷを１０体積％有する組成に対して、各試料の温度を上げ常温、２５０℃、５００℃、７５０℃での高温での硬さを測定した。結果を図６に示す。本発明の金属材料は常温だけでなく、高温においてもその硬さは高く、使用時の温度が高くなる用途、例えば抵抗溶接用電極などに好適である。
【００１４】
（実施例３）
抵抗溶接用電極として使用した場合の実施例を示す。
本発明の試料として試料で５体積％のＷ粒子を有する材料を、比較材として試料Ｎｏ．１１の中の５体積％のＷ粒子を有する材料を用いた。これらの材料を先端径６ｍｍのドームラジアス型キャップ電極に加工し、被溶接材として板厚が１ｍｍで組成がＡｌ−４．５％Ｍｇ−０．３％Ｃｕ（質量百分率）の５０００系アルミ合金を用いて溶接試験を実施した。初期溶接条件は径が５ｍｍのナゲットが得られる条件とし、連続打点を行って１００打点毎にナゲット径を測定し、ナゲット径が４ｍｍ以下となった打点数を電極寿命とした。
【００１５】
比較材は２２００打点で寿命となったのに対し、本発明の試料は２９００打点の溶接が可能であった。また、実施例１中の本発明の範囲であるいずれの試料も、同様の実験を行ったところ比較例の試料よりも長寿命であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属材料と従来の金属材料の硬さを示す
【図２】本発明の金属材料の硬さを示す
【図３】本発明の金属材料の硬さを示す
【図４】従来の金属材料及び本発明範囲外の金属材料の硬さを示す
【図５】従来の金属材料及び本発明範囲外の金属材料の硬さを示す
【図６】本発明の金属材料と従来の金属材料の高温での硬さを示す
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）  本発明の金属材料は、ＣｕとＡｇの析出硬化を利用して硬さを向上させることにより、従来の同目的の材料と比較してより硬く、また、電気伝導性と強度が維持できている。
（２）  本発明の金属材料は、電気接点材、抵抗溶接用電極、半導体用リードフレーム、複合超伝導線、高電気伝導性ばね、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、放電加工形ワイヤー材などに好適に使用できる。
【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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