(57)【要約】【課題】機械的強度と熱的・電気的特性に優れた特性を銅複合材に付与する方法を提供する。【解決手段】銅粉末とチタン粉末と硼素粉末とを混合して１次形状体とし、次いで前記１次形状体に熱エネルギーを与え前記チタン粉末と硼素粉末とを反応させて銅マトリックス中に硼化チタンを生成させ、この後、前記硼化チタンが形成された１次形状体を塑性変形せしめて歪を付与して２次形状体とする。硼化チタンを生成させることで組織の微細化が図れ、歪を付与することで、未反応の固溶元素（チタンと硼素）を析出せしめることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅マトリックス中に硼化チタンが分散した銅複合材の製造方法であって、以下の▲１▼〜▲３▼の工程からなることを特徴とする銅複合材の製造方法。
▲１▼銅粉末とチタン粉末と硼素粉末とを混合して１次形状体とする工程。
▲２▼前記１次形状体に熱エネルギーを与え前記チタン粉末と硼素粉末とを反応させて銅マトリックス中に硼化チタンを生成させる工程。
▲３▼前記硼化チタンが形成された１次形状体を塑性変形せしめて歪を付与して２次形状体とする工程。
【請求項２】
請求項１に記載の銅複合材の製造方法において、前記塑性変形せしめて歪を付与する工程と同一工程、若しくはその後の工程で２次形状体に熱処理を施すことを特徴とする銅複合材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の銅複合材の製造方法において、前記塑性変形は２００％以上の伸びに相当する歪を付与することを特徴とする銅複合材の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の銅複合材の製造方法において、前記塑性変形は素材温度を４００℃以上１０００℃以下で行う押出しであることを特徴とする銅複合材の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３に記載の銅複合材の製造方法において、前記塑性変形は金型温度を４００℃以上５００℃以下で行う押出しであることを特徴とする銅複合材の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の銅複合材の製造方法において、前記１次形状体は圧粉成形または管に混合粉末を充填することで得ることを特徴とする銅複合材の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載の銅複合材の製造方法において、前記セラミック粉末の平均粒径は０．３〜１０μｍとし、また得られる２次形状体の母材の平均粒径は２０μｍ以下、硼化チタン粒子の平均粒径は５００ｎｍ以下であることを特徴とする銅複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接の電極材料や電気自動車に用いるコネクタなどとして好適する銅複合材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅マトリックス中にアルミナなどの酸化物を分散させた銅合金は導電性及び耐熱性に優れるため電気部品材料に広く利用され、この銅合金の特性や製法を改善する提案が多数なされている。
例えば、内部酸化する元素としてアルミニウムのみでなく、第３の元素としてスズを添加し、導電性と軟化特性を改善する提案がなされている。（特許文献１）
【０００３】
また、アトマイズ法にて製造した３００μｍ以下のアルミニウムなどの易酸化性金属を固溶させた銅合金粉末を用いることで、５０μｍ以下の粒子が７０重量％以上となるものが提案されている。（特許文献２）
【０００４】
また、Ｃｕ−Ａｌ合金粉末を内部酸化してＡｌをＡｌ２Ｏ３にした後、この合金粉末の表面を平滑にし、その後圧粉成形して成形体とし、この成形体を６００〜１０００℃で熱間鍛造する方法が提案されている。（特許文献３）
【０００５】
また、Ａｌを含む板状銅合金を内部酸化せしめてＡｌをＡｌ２Ｏ３にした後、この板状合金をコイル状にし、このコイル状合金を金属管内に密封し、この金属管を所望形状に９００℃で熱間加工する方法が提案されている。（特許文献４）
【０００６】
また、Ｃｕ−Ａｌ合金の切粉を内部酸化せしめて得た合金粉末をカーボン型内に充填し、９００℃、４００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレスする方法が提案されている。（特許文献５）
【０００７】
また、Ｃｕ−Ａｌ合金粉末の内部にＡｌ２Ｏ３の環状硬質層が存在するようにして焼結性を高める方法が提案されている。（特許文献６）
【０００８】
更に、銅合金ではなくアルミニウム合金であるが、組織を微細化して靭性を高めるため、アルミニウム合金に１回の押出しにおいて２００％以上或いは２２０％以上の伸びに相当する歪量の剪断変形を３００℃以下の温度で与える方法が提案されている。（特許文献７、特許文献８）
【０００９】
【特許文献】
特許文献１：特開昭５９−１５００４３号公報  特許請求の範囲
特許文献２：特開昭６０−１４１８０２号公報  特許請求の範囲
特許文献３：特開昭６３−２４１１２６号公報  第２頁右上欄６行〜１１行
特許文献４：特開平２−３８５４１号公報  第３頁右上欄１６行〜左下欄最終行
特許文献５：特開平２−９３０２９号公報  第３頁右下欄１５行〜第４頁左上欄１７行
特許文献６：特開平４−８０３０１号公報  特許請求の範囲
特許文献７：特開平９−１３７２４４号公報
特許文献８：特開平１１−１１４６１８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した先行技術のうち特許文献１〜６にあっては、いずれも高温での熱間加工を行うため、粒成長によって組織が粗大化する傾向にあり、溶接の電極材料や電気自動車のコネクターとして要求される特性を同時に満足するものを得ることができない。
一方、特許文献７，８によれば微細化した組織が得られるが、この文献には銅合金については何ら開示されておらず、特に銅にセラミックスを混合した複合材について、どのような製法とすべきかについては何ら示唆されていない。
【００１１】
そこで、本発明者らは先に特願２００３−０００９１９号として、銅粉末とセラミック粉末（アルミナまたは硼化チタン）とを混合し、この混合粉末を１次形状体とし、この１次形状体に歪を付与しながら押出しを施す提案を行っているが、更に特性の向上した銅複合材の製造方法が望まれる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下の▲１▼〜▲４▼の工程から銅マトリックス中に硼化チタンが分散した銅複合材の製造方法を構成した。
▲１▼銅粉末とチタン粉末と硼素粉末とを混合して１次形状体とする工程。
▲２▼前記１次形状体に熱エネルギーを与え前記チタン粉末と硼素粉末とを反応させて銅マトリックス中に硼化チタンを生成させる工程。
▲３▼前記硼化チタンが形成された１次形状体を塑性変形せしめて歪を付与して２次形状体とする工程。
上記のように、銅粉末に硼化チタンを混合するのではなく、反応によって硼化チタンとなるチタン粉末と硼素粉末を銅マトリックス中に生成せしめることで、微細な粒子とし機械的強度を高めることができる。
例えば、チタン粉末及び硼素粉末の平均粒径を０．３〜１０μｍとすれば、得られる２次形状体の母材の平均粒径は２０μｍ以下、硼化チタン粒子の平均粒径を４００ｎｍ以下とすることができ、溶接の電極材料として溶接時の加圧による変形（素材の圧縮強度が低いため）が小さいものを得ることができる。
【００１３】
また、１次形状体に熱エネルギーを与える際に、一部のチタン及び硼素は銅に固溶するが、この固溶状態のチタン及び硼素が未反応のまま残っていると導電性及び熱的特性に劣ることになる。そこで、塑性変形せしめて歪を付与する工程と同一工程、若しくはその後の工程で２次形状体に熱処理を施し、未反応の固溶元素（チタン及び硼素）を析出せしめることが好ましい。
【００１４】
前記塑性変形としては例えば２００％以上の伸びに相当する歪を付与する。塑性変形を付与する手段としては、押出し、引き抜き、せん断、圧延または鍛造などが考えられ、例えば素材温度を４００℃〜１０００℃とし、４００℃〜５００℃の金型を用い、押出し速度０．５〜２．０ｍｍ／ｓｅｃで行う側方押出しが有効であり、また押出しの回数は１０〜２０回繰り返すことが必要である。
【００１５】
押出しの素材温度を４００℃〜１０００℃としたのは、４００℃未満では変形抵抗が大きく押出しが困難となり、母相（マトリックス）と粒子間に十分な結合強度が得られなくなり、また１０００℃を超えると、銅の融点を超え溶融してしまい、歪の付与ができないためである。また、金型温度を４００℃〜５００℃としたのは、金型温度が低くなりすぎると押出しが困難になり、金型温度が高くなりすぎると金型自体がなまされてしまうからである。
また、押出し速度は速いほど歪が入りやすいが、０．５〜２．０ｍｍ／ｓｅｃとしたのは、０．５ｍｍ／ｓｅｃ未満では製造時間がかかり好ましくなく、２．０ｍｍ／ｓｅｃを超えると金型との摩擦が上昇し、金型寿命が極端に短くなるので、上記範囲が好ましい。
また、押出しを行うには合金粉末を所定の形状（１次形状）にする必要があるが、そのためには、圧粉成形または管に混合粉末を充填する等の手段が考えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る銅複合材を得る工程を説明した図であり、いずれも出発原料としては母材（Ｃｕ粉末）にチタン（Ｔｉ）粉末および硼素（Ｂ）粉末を混合する。混合割合はチタン粉末および硼素粉末とも０．１ｗｔ％〜５．０ｗｔ％とする。０．１ｗｔ％未満では耐磨耗性が向上せず、５．０ｗｔ％を超えると導電率が低下し、金型の寿命も短くなるため、上記の範囲となる。
【００１７】
次いで上記の混合粉末を側方押出しするために１次形状体とする。１次形状体を得る工程は２つある。目的とする製品がコネクターや電極棒などのように小物の場合にはＣｕ管に上記混合物を充填して１次形状体とする。一方、目的とする製品が長尺であったり、大寸法の場合には圧粉成形によって１次形状体とする。
【００１８】
次いで上記１次形状体を焼結せしめる。この焼結に伴う熱エネルギーによって、添加したチタン（Ｔｉ）と硼素（Ｂ）が反応し、硼化チタンが生成される。図３は焼結後の組織の状態を示す。この図から、焼結前には生成されていなかった硼化チタンが焼結後には銅マトリックス内に生成していることが分る。
尚、実施例では熱エネルギーを付与する手段として焼結を行ったが、これ以外の手段で熱エネルギーを付与してもよい。
【００１９】
上記によって得られた焼結後の１次形状体に側方押出しによって２００％以上、好ましくは約２２０％の伸びに相当する歪を与える。
尚、図２はＣｕ管を用いた例を説明したものであるが、図ではＣｕ管の径を側方押出し金型に形成した挿入孔の径よりも大きくしているが、実際はＣｕ管の径と金型に形成した挿入孔の径は略等しく、またパンチでＣｕ管を押し込む際にＣｕ管が倒れないように治具等を用いて支持しておく。
【００２０】
側方押出しの具体的な条件としては、素材温度を４００〜１０００℃、金型温度を４００〜５００℃とし、押し出し速度を約１ｍｍ／ｓｅｃとして、１２回繰り返して押し出すＥＣＡＥ（ｅｑｕａｌ−ｃｈａｎｎｅｌ−ａｎｇｕｌａｒ−ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）処理を施す。この繰り返しで、母相の微細化と銅マトリックス内に生成した硼化チタンの粉砕・分散が生じる。
【００２１】
図４は強加工（２２０％の伸びに相当する歪を与える）した場合としない場合の導電率とＴｉＢの添加量との関係を示す図であり、この図から強加工することによって導電率が向上することが判明した。これは、前記の熱処理で導電性の硼化チタンが生成されるが、添加されたチタンと硼素が化学量論的に反応するわけではなく、固溶状態のチタンおよび硼素が未反応のまま銅マトリックス内に残っており、これが導電率を上げられない原因となっている。そこで、強加工すると未反応の固溶元素（チタンおよび硼素）が析出し、導電率が向上すると考えられる。
【００２２】
また、図５は本発明に係る銅複合材と従来の銅複合材の溶接性を連続打点数で比較したグラフであり、銅にアルミナを分散せしめた市販の銅複合材を溶接チップとした場合の打点数が１２００前後であるのに対し、ＥＣＡＥ（ｅｑｕａｌ−ｃｈａｎｎｅｌ−ａｎｇｕｌａｒ−ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）処理を施したアルミナ分散銅複合材では打点数は１６００前後、硼化チタンを分散せしめた本発明に係る銅複合材を溶接チップとした場合にはあっては、１９００打点が可能であった。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る銅複合材の製造方法によれば、溶体化処理を出発点としていないので、固溶限界による制限がなく、銅に添加するチタンや硼素を任意に設定でき、従来の銅複合材では得られなかった特性を得ることができる。
特に、銅に直接硼化チタンを添加するのではなく、反応前のチタンと硼素を加え、これに熱エネルギーを加えることで反応により銅マトリックス中に硼化チタンを生成するようにしたことで、組織の微細化（ナノオーダ：数百ｎｍ以下）が促進され、機械的強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る銅複合材の製造方法を説明した図
【図２】銅パイプに充填して銅複合材を製造する方法を説明した図。
【図３】焼結後の組織の状態を示す顕微鏡写真
【図４】強加工した場合としない場合の導電率とＴｉ，Ｂの添加量との関係を示す図
【図５】本発明に係る製造方法で得られた銅複合材と従来の銅複合材の溶接性を連続打点数で比較したグラフ
【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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