(57)【要約】【課題】銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の自由度を向上させつつ、高い導電性と高い強度とを両立させることが可能な銅−鉄合金材料およびその製造方法を提供する。【解決手段】銅−鉄合金材料１は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなり、多結晶の銅相２０と、多結晶の鉄相３０とからなる金属組織を有する。銅相２０は、等方形状を有する銅結晶と、銅結晶中に析出する鉄析出物２５と、を含む。鉄相３０は、等方形状を有する鉄結晶と、鉄結晶中に析出する銅析出物３５と、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなり、
多結晶の銅相と、多結晶の鉄相とからなる金属組織を有し、
前記銅相は、
等方形状を有する銅結晶と、
前記銅結晶中に析出する鉄析出物と、を含み、
前記鉄相は、
等方形状を有する鉄結晶と、
前記鉄結晶中に析出する銅析出物と、を含む、銅−鉄合金材料。
【請求項２】
０．５質量％以下のマグネシウム、マンガン、亜鉛、アルミニウム、スズ、珪素、ニッケル、ジルコニウムおよびクロムからなる群から選択される１以上の元素をさらに含有する、請求項１に記載の銅−鉄合金材料。
【請求項３】
直径が５ｍｍ以上の線形状を有する、請求項１または２に記載の銅−鉄合金材料。
【請求項４】
厚みが１０ｍｍ以上の板形状を有する、請求項１または２に記載の銅−鉄合金材料。
【請求項５】
引張強さが７００ＭＰａ以上１３００ＭＰａ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の銅−鉄合金材料。
【請求項６】
導電率が１５％ＩＡＣＳ以上４５％ＩＡＣＳ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅−鉄合金材料。
【請求項７】
４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる原料合金を準備する工程と、
前記原料合金を９００℃以上１０５０℃以下の固溶温度域に加熱し、前記固溶温度域から３００℃以下の温度域まで冷却して、銅中に鉄を固溶させるとともに鉄中に銅を固溶させて固溶合金を得る工程と、
前記固溶合金を３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱して銅中に鉄を析出させるとともに鉄中に銅を析出させる工程と、を備える、銅−鉄合金材料の製造方法。
【請求項８】
前記原料合金を準備する工程では、０．５質量％以下のマグネシウム、マンガン、亜鉛、アルミニウム、スズ、珪素、ニッケル、ジルコニウムおよびクロムからなる群から選択される１以上の元素をさらに含有する前記原料合金が準備される、請求項７に記載の銅−鉄合金材料の製造方法。
【請求項９】
前記固溶合金を３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱する工程では、前記固溶合金が３００℃以上６００℃以下の温度域に５分間以上保持される、請求項７または８に記載の銅−鉄合金材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅−鉄合金材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅（Ｃｕ）−鉄（Ｆｅ）合金は、導電性を確保しつつ、高い強度を達成可能な材料である。そのため、コネクタの接点部、端子金具、接点ばねなどの電気的接続を確保するための部材（接点部材）を構成する材料として、銅−鉄合金を採用することができる。銅−鉄合金の強度は、冷間伸線（冷間引抜き）、冷間圧延などの冷間加工による加工硬化を利用して向上させることができる。冷間加工によって強度を向上させることにより、高い導電性と高い強度とを両立させる銅−鉄合金材料および銅−鉄合金線材が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１０５４７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載のように冷間加工によって強度を向上させる場合、高い加工度の冷間加工を実施する必要がある。具体的には、たとえば冷間伸線によって十分な強度を得るためには、高い減面率の冷間伸線を実施する必要がある。そのため、冷間加工によって強度を向上させる場合、銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の大きさが制限されるという問題がある。
【０００５】
そこで、銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の大きさの自由度を向上させつつ、高い導電性と高い強度とを両立させることが可能な銅−鉄合金材料およびその製造方法を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った銅−鉄合金材料は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなり、多結晶の銅相と、多結晶の鉄相とからなる金属組織を有する。銅相は、等方形状を有する銅結晶と、銅結晶中に析出する鉄析出物と、を含む。鉄相は、等方形状を有する鉄結晶と、鉄結晶中に析出する銅析出物と、を含む。
【０００７】
本発明に従った銅−鉄合金材料の製造方法は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる原料合金を準備する工程と、原料合金を９００℃以上１０５０℃以下の固溶温度域に加熱し、固溶温度域から３００℃以下の温度域まで冷却して、銅中に鉄を固溶させるとともに鉄中に銅を固溶させて固溶合金を得る工程と、固溶合金を３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱して銅中に鉄を析出させるとともに鉄中に銅を析出させる工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記銅−鉄合金材料およびその製造方法によれば、銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の大きさの自由度を向上させつつ、高い導電性と高い強度とを両立させることが可能な銅−鉄合金材料およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】銅−鉄合金線材の一例を示す概略図である。
【図２】銅−鉄合金線材の長手方向に沿った断面を示す概略断面図である。
【図３】銅−鉄合金線材の長手方向に沿った断面における金属組織を示す概略断面図である。
【図４】銅−鉄合金線材の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図５】銅−鉄合金板材の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の銅−鉄合金材料は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなり、多結晶の銅相と、多結晶の鉄相とからなる金属組織を有する。銅相は、等方形状を有する銅結晶と、銅結晶中に析出する鉄析出物と、を含む。鉄相は、等方形状を有する鉄結晶と、鉄結晶中に析出する銅析出物と、を含む。
【００１１】
本願の銅−鉄合金材料は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる。このような成分組成を採用することにより、鉄中に銅が固溶することによる固溶強化によって強度が上昇する。また、本願の銅−鉄合金材料においては、銅結晶中に鉄析出物が析出するとともに、鉄結晶中に銅析出物が析出する。そのため、析出強化によって強度が上昇する。このように、固溶強化および析出強化による強度上昇が得られるため、銅結晶および鉄結晶が等方形状を維持した状態、すなわち冷間加工による加工硬化が小さい状態または存在しない状態であっても、十分な強度を確保することができる。その結果、銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の大きさの自由度を向上させつつ、十分な強度を確保することができる。また、本願の銅−鉄合金材料においては、十分な量の銅が含まれるため、高い導電性が確保される。以上のように、本願の銅−鉄合金材料によれば、銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の大きさの自由度を向上させつつ、高い導電性と高い強度とを両立させることができる。
【００１２】
ここで、不可避的不純物には、金属の精錬において酸素を低減するために添加される元素（脱酸元素）のほか、銅−鉄合金材料の製造工程において意図的でなく混入する物質（不純物）が含まれる。
【００１３】
上記銅−鉄合金材料は、０．５質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、珪素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される１以上の元素をさらに含有していてもよい。このようにすることにより、高い強度を得ることが容易となる。
【００１４】
上記銅−鉄合金材料は、直径が５ｍｍ以上の線形状を有していてもよい。冷間加工によって十分な強度を得ることが難しいこのような形状であっても、本願の銅−鉄合金材料によれば高い強度を得ることができる。
【００１５】
上記銅−鉄合金材料は、厚みが１０ｍｍ以上の板形状を有していてもよい。冷間加工によって十分な強度を得ることが難しいこのような形状であっても、本願の銅−鉄合金材料によれば高い強度を得ることができる。
【００１６】
上記銅−鉄合金材料は、引張強さが７００ＭＰａ以上１３００ＭＰａ以下であってもよい。引張強さを７００ＭＰａ以上とすることにより、高い強度が要求される部材を構成する材料として採用することが可能となり、銅−鉄合金材料の用途が拡大する。一方、１３００ＭＰａを超える引張強さを達成しようとすると、高い導電率を確保することが難しくなる。引張強さを７００ＭＰａ以上１３００ＭＰａ以下とすることにより、高い導電率を確保しつつ、銅−鉄合金材料の用途を拡大することができる。
【００１７】
上記銅−鉄合金材料は、導電率が１５％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｓｔａｎｄａｒｄ）以上４５％ＩＡＣＳ以下であってもよい。導電率を１５％ＩＡＣＳ以上とすることにより、高い導電率が要求される部材を構成する材料として採用することが可能となり、銅−鉄合金材料の用途が拡大する。一方、４５％ＩＡＣＳを超える導電率を達成しようとすると、高い強度を確保することが難しくなる。導電率を１５％ＩＡＣＳ以上４５％ＩＡＣＳ以下とすることにより、高い強度を確保しつつ、銅−鉄合金材料の用途を拡大することができる。
【００１８】
本願の銅−鉄合金材料の製造方法は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる原料合金を準備する工程と、原料合金を９００℃以上１０５０℃以下の固溶温度域に加熱し、固溶温度域から３００℃以下の温度域まで冷却して、銅中に鉄を固溶させるとともに鉄中に銅を固溶させて固溶合金を得る工程と、固溶合金を３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱して銅中に鉄を析出させるとともに鉄中に銅を析出させる工程と、を備える。
【００１９】
本願の銅−鉄合金材料の製造方法においては、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる原料合金が固溶温度域に加熱された後、冷却され、固溶合金が作製された上で、当該固溶合金が３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱されることで、銅中に鉄が析出するとともに鉄中に銅が析出する。そのため、本願の銅−鉄合金材料の製造方法によれば、容易に上記本願の銅−鉄合金材料を製造することができる。
【００２０】
上記銅−鉄合金材料の製造方法において、原料合金を準備する工程では、０．５質量％以下のマグネシウム、マンガン、亜鉛、アルミニウム、スズ、珪素、ニッケル、ジルコニウムおよびクロムからなる群から選択される１以上の元素をさらに含有する原料合金が準備されてもよい。このようにすることにより、高い強度の銅−鉄合金材料を製造することが容易となる。
【００２１】
上記銅−鉄合金材料の製造方法において、固溶合金を３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱する工程では、固溶合金が３００℃以上６００℃以下の温度域に５分間以上保持されてもよい。このようにすることにより、より確実に銅中に鉄を析出させるとともに鉄中に銅を析出させることができる。
【００２２】
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる銅−鉄合金材料の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１を参照して、実施の形態１における銅−鉄合金材料１は、直径が５ｍｍ以上の線形状を有する銅−鉄合金線材である。銅−鉄合金材料１は、長手方向に垂直な断面１２の形状が円形であり、外周面１１が円筒面形状を有している。長手方向に垂直な断面１２の直径が５ｍｍ以上である。銅−鉄合金材料１は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる。
【００２４】
図２を参照して、長手方向に沿った断面において、銅−鉄合金材料１は、母材である銅相２０と、銅相２０中に同一方向に沿って延在する複数の鉄相３０とからなる金属組織を有する。
【００２５】
図３を参照して、銅相２０は、多数の結晶から構成される多結晶体であって、内部に結晶粒界２１が形成されている。結晶粒界２１に囲まれる各領域が銅結晶（結晶粒）である。結晶粒界２１に囲まれる各結晶中には、粒状の鉄析出物２５が分散している。ここで、結晶が等方形状である状態とは、結晶の形状がランダムであって、特定の方向に延びた形状を有さないことを意味する。
【００２６】
鉄相３０は、多数の結晶から構成される多結晶体であって、内部に結晶粒界３１が形成されている。結晶粒界３１に囲まれる各領域が鉄結晶（結晶粒）である。結晶粒界２１に囲まれる各結晶中には、粒状の銅析出物３５が分散している。
【００２７】
本実施の形態の銅−鉄合金材料１は、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる。このような成分組成を採用することにより、鉄中に銅が固溶することによる固溶強化によって強度が上昇する。また、本実施の形態の銅−鉄合金材料１においては、銅結晶中に鉄析出物２５が析出するとともに、鉄結晶中に銅析出物３５が析出している。そのため、析出強化によって強度が上昇している。このように、固溶強化および析出強化による強度上昇が得られるため、銅結晶および鉄結晶が等方形状を維持した状態、すなわち冷間加工による加工硬化が小さい状態または存在しない状態であっても、十分な強度を確保することができる。その結果、銅−鉄合金材料１は、これを用いて作製される部材の大きさの自由度を向上させつつ、十分な強度を確保することが可能な銅−鉄合金材料となっている。また、本実施の形態の銅−鉄合金材料１においては、十分な量の銅が含まれるため、高い導電性が確保される。このように、本実施の形態の銅−鉄合金材料１は、これを用いて作製される部材の大きさの自由度を向上させつつ、高い導電性と高い強度とを両立する銅−鉄合金材料となっている。
【００２８】
銅−鉄合金材料１は、０．５質量％以下のマグネシウム、マンガン、亜鉛、アルミニウム、スズ、珪素、ニッケル、ジルコニウムおよびクロムからなる群から選択される１以上の元素をさらに含有していてもよい。これにより、高い強度を得ることが容易となる。
【００２９】
また、銅−鉄合金材料１は、引張強さが７００ＭＰａ以上１３００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強さを７００ＭＰａ以上とすることにより、高い強度が要求される部材を構成する材料として採用することが可能となり、銅−鉄合金材料１の用途が拡大する。一方、１３００ＭＰａを超える引張強さを達成しようとすると、高い導電率を確保することが難しくなる。引張強さを７００ＭＰａ以上１３００ＭＰａ以下とすることにより、高い導電率を確保しつつ、銅−鉄合金材料１の用途を拡大することができる。用途拡大の観点から、銅−鉄合金材料１の引張強さは８５０ＭＰａ以上、さらには９００ＭＰａ以上であることがより好ましい。一方、高い導電率を確保する観点から、銅−鉄合金材料１の引張強さは１２００ＭＰａ以下とすることがより好ましい。
【００３０】
また、銅−鉄合金材料１は、導電率が１５％ＩＡＣＳ以上４５％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。導電率を１５％ＩＡＣＳ以上とすることにより、高い導電率が要求される部材を構成する材料として採用することが可能となり、銅−鉄合金材料１の用途が拡大する。一方、４５％ＩＡＣＳを超える導電率を達成しようとすると、高い強度を確保することが難しくなる。導電率を１５％ＩＡＣＳ以上４５％ＩＡＣＳ以下とすることにより、高い強度を確保しつつ、銅−鉄合金材料１の用途を拡大することができる。用途拡大の観点から、銅−鉄合金材料１の導電率は２０％ＩＡＣＳ以上であることがより好ましい。
【００３１】
また、用途拡大の観点から、本実施の形態における銅−鉄合金材料１の直径は８ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがより好ましい。このようにすることにより、たとえば銅−鉄合金材料１を金型の材料として使用することが可能となる。銅−鉄合金材料１の直径は、たとえば４０ｍｍ以下である。
【００３２】
次に、銅−鉄合金材料１の製造方法の一例について説明する。図４を参照して、本実施の形態における銅−鉄合金材料１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として原料合金準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、４０質量％以上８０質量％以下の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる原料合金が準備される。具体的には、上記成分組成を有する溶融合金が準備され、鋳造されることにより原料合金が作製される。鋳造は、連続鋳造により実施されてもよい。得られた原料合金は、たとえば圧延などの加工により、所望の線形状に加工される。これにより、原料合金中の鉄相が圧延方向に沿って延伸する（図２参照）。
【００３３】
次に、工程（Ｓ２０）として固溶工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された原料合金を９００℃以上１０５０℃以下の固溶温度域に加熱し、当該固溶温度域から３００℃以下の温度域まで冷却して、銅中に鉄を固溶させるとともに鉄中に銅を固溶させて固溶合金を得る。固溶温度域から３００℃以下の温度域までの冷却は、たとえば原料合金を水中または油中に浸漬して急冷することにより実施することができる。これにより、固溶合金を容易に得ることができる。また、固溶温度域に加熱されることにより、銅相２０を構成する銅結晶および鉄相３０を構成する鉄結晶が再結晶し、等方形状を有する結晶となる（図３参照）。
【００３４】
次に、工程（Ｓ３０）として析出工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において得られた固溶合金を３００℃以上６００℃以下の温度域に加熱して銅中に鉄を析出させるとともに鉄中に銅を析出させる。これにより、銅相２０を構成する銅結晶中に粒状の鉄析出物２５が分散するとともに、鉄相３０を構成する鉄結晶中に粒状の銅析出物３５が分散する金属組織が得られる（図３参照）。以上の手順により、本実施の形態の銅−鉄合金材料１が完成する。
【００３５】
上述のように、固溶強化および析出強化による強度上昇が得られるため、銅−鉄合金材料１は高い導電性と高い強度とが両立した銅−鉄合金材料となっている。そのため、銅−鉄合金材料１を用いた部材の作製において、加工硬化を目的とした加工度の大きい冷間加工は必須ではない。ただし、銅−鉄合金材料１を用いた部材の作製において、冷間加工が採用できないものではなく、部材の成形を目的とした冷間加工、更なる強度上昇を目的とした冷間加工を実施することは可能である。
【００３６】
上記工程（Ｓ１０）では、０．５質量％以下のマグネシウム、マンガン、亜鉛、アルミニウム、スズ、珪素、ニッケル、ジルコニウムおよびクロムからなる群から選択される１以上の元素をさらに含有する原料合金が準備されてもよい。これにより、高い強度の銅−鉄合金材料１を製造することが容易となる。
【００３７】
上記工程（Ｓ３０）では、固溶合金が３００℃以上６００℃以下の温度域に５分間以上保持されることが好ましい。これにより、より確実に鉄析出物２５および銅析出物３５を析出させることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
次に、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２の銅−鉄合金材料は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の銅−鉄合金材料は、形状において実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３９】
図５を参照して、実施の形態２における銅−鉄合金材料１は、厚みが１０ｍｍ以上の板形状を有する銅−鉄合金板材である。本実施の形態の銅−鉄合金材料１は、長手方向に垂直な断面１２の形状が長方形であり、外周面１１が長方形の断面の長辺に対応する一対の主表面１１Ａと短辺に対応する一対の側面１１Ｂとを含む形状を有している。一対の主表面１１Ａ間の距離である厚みが１０ｍｍ以上である。
【００４０】
用途拡大の観点から、本実施の形態における銅−鉄合金材料１の厚みは１５ｍｍ以上であることが好ましく、２０ｍｍ以上であることがより好ましい。このようにすることにより、たとえば銅−鉄合金材料１を金型の材料として使用することが可能となる。銅−鉄合金材料１の幅は、たとえば５０ｍｍ以下である。本実施の形態の銅−鉄合金材料１は、実施の形態１において説明した製造方法の工程（Ｓ１０）において、鋳造により得られる原料合金が圧延等の加工により板形状に成形される点を除いて、同様の手順により製造することができる。
【００４１】
なお、上記実施の形態においては、銅−鉄合金材料１が線形状を有する場合および板形状を有する場合について説明したが、本願の銅−鉄合金材料の形状はこれらに限られず、銅−鉄合金材料を用いて作製される部材の形状に適した種々の形状を採用することができる。
【実施例】
【００４２】
本願の銅−鉄合金材料の特性を確認する実験を行った。上記実施の形態１と同様の手順で銅−鉄合金１を作製し、得られた銅−鉄合金１の引張強さおよび導電率を測定した。工程（Ｓ２０）では、原料合金を１０００℃に加熱した後、当該温度から水中に浸漬することにより急冷した。その後、工程（Ｓ３０）では、４００℃に加熱する熱処理を実施した。銅−鉄合金材料の成分組成としては、５０質量％の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなるもの（実施例Ａ）および６５質量％の鉄を含有し、残部が銅および不可避的不純物からなるもの（実施例Ｂ）の２つを採用した。実験の結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
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表１を参照して、いずれの実施例においても高い導電性（３０％ＩＡＣＳおよび２３％ＩＡＣＳ）が達成されるとともに、高い引張強さ（８００ＭＰａおよび１０５０ＭＰａ）が達成されている。このことから、上記銅−鉄合金材料およびその製造方法によれば、冷間加工による加工硬化を利用することなく高い導電性と高い強度とを両立させることが可能な銅−鉄合金材料を製造できることが確認される。
【００４４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本願の銅−鉄合金材料およびその製造方法は、高い導電性と高い強度とを両立させることが求められる銅−鉄合金材料およびその製造方法に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００４６】
１  鉄合金材料
１１  外周面
１１Ａ  主表面
１１Ｂ  側面
１２  断面
２０  銅相
２１  結晶粒界
２５  鉄析出物
３０  鉄相
３１  結晶粒界
３５  銅析出物
【図１】
2017193765.tif 000004
【図２】
2017193765.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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