JP2009191337A

JP2009191337A - 高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金

Info

Publication number: JP2009191337A
Application number: JP2008035475A
Authority: JP
Inventors: Wataru Yago; 亘矢後; Kenzo Yamamoto; 賢三山本; Susumu Kitayama; 進北山; Osamu Konaka; 修小中; Hironobu Tabata; 裕信田畑; Yosuke Nakata; 洋祐中田; Tomohiko Nakamura; 友彦中村
Original assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Current assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】特に、高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金であって、さらにクリープ特性（高温強度）、引張強度、導電率、耐熱性、延性、曲げ加工性等にも優れ、しかも、製造においてコスト高となる冷間鍛造を省くことが可能となるモールド用銅基合金を提供する。
【解決手段】重量％で、Ｔｉ：０．０５〜１.０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．７％を含有し、残部をＣｕ及び不純物からなる高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金を第１発明として提供するもので、第２発明として、第１発明にＮｉ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．０３〜１．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％の内、１種以上の元素を含有したもの、第３発明として、第１発明にＦｅ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ａｌ：０．０１〜２．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｂ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０１〜１．０％、Ｐｂ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．０％の内、１種以上の元素を含有したものを提供する。
【選択図】なし

Description

この発明は、高温を伴いながら製品を鋳造あるいは成形するモールドの材料として使用されるために、特に高温疲労強度及び耐摩耗性が要求されるモールド用銅基合金に関する。

銅基合金は、モールド用材として鉄合金と比べると、熱伝導率が高いことから、熱変形に伴う割れの発生率が小さいため耐久性があり、しかも、離型性が良いことから製品の美肌向上に適するので、現在では銅基合金が多用される傾向にある。しかしながら、モールド用材として必要なクリープ特性（高温強度）、耐摩耗性、高温疲労強度、引張強度、導電率、耐熱性、延性、曲げ加工性等についてさらなる改善が求められている。

また、銅基合金を素材とするモールドの製造は、従来、溶解→鋳造→熱間鍛造→溶体化処理→冷間鍛造→時効処理→納入寸法加工の各工程を経て行われていたが、このうち、冷間鍛造に設備を要するとともに、工程に多くの時間と労力を要することから、モールド製造に冷間鍛造が過大なコストを占めることになっている。

これらの問題を解決するために鋭意研究と実験とを重ねるなかで、特許文献１に記載される発明（名称：銅合金およびその製造方法）に突き当たった。この発明は、モールド用材の発明ではないが、これまでに経過して得た知見から、本出願人等においてモールド用材として有効に使用できる可能性を見い出し、それを追求した。

特許第３７３１６００号公報

特許文献１について見ると、銅合金の用途は、電気電子部品、安全工具等の分野で、発明の目的は、Ｂｅ等の環境に有害な元素を含まない銅合金であって、製品バリエーションが豊富であり、高温強度、延性および加工性にも優れ、さらに、安全工具用材料に要求される性能、即ち、熱伝導率、耐摩耗性および耐火花発生性にも優れる銅合金およびその製造方法を提供することにあるとされる。

用途については、さらに詳しく次の如く記載されている。
イ）エレクトロニクス分野
パソコン用コネクタ、半導体ソケット、光ピックアップ、同軸コネクタ、ＩＣチェッカーピン
ロ）コミュニケーション分野
携帯電話用部品（コネクタ、バッテリー端子、アンテナ部品）、海底中継器筐体、交換機用コネクタ
ハ）自動車分野
リレー、各種スイッチ、マイクロモータ、ダイヤフラム、各種端子類等の種々の電装部品
ニ）航空・宇宙分野
航空機用ライディングギア
ホ）医療・分析機分野
医療用コネクタ、産業用コネクタ
ヘ）家電分野
エアコン等家電用リレー、ゲーム機用光ピックアップ、カードメディアコネクタ
ト）安全工具
例）弾薬庫、炭鉱等、花火から引火して爆発する危険性がある場所で用いられる掘削棒やスパナ、チエーンブロック、ハンマー、ドライバー、ペンチ、ニッパ等の工具

しかし、特許文献１の発明内容の銅合金であればモールド用銅基合金の材料として必ずしも適正があるとは限らなかった。

特に注意すべきは、特許文献１の発明では、安全工具用材料に要求される性能、即ち、熱伝導率、耐摩耗性および耐火花発生性に優れることに重点が置かれていることである。しかし、モールド用銅基合金であると、熱伝導率や耐摩耗性を要するにしても、モールドの反復使用が激しく、しかも、被成形部材から高温の影響を受けやすいという特殊な条件に耐える必要性が高いことである。特許文献１では、耐摩耗性について、「室温下における硬さがビッカース硬さ２５０以上であることを耐摩耗性が優れていることとする。」とされる通り、室温程度よりも一段と高温に晒された場合の適応性についての考慮に欠けていた。

また、耐摩耗性に関しては、特許文献１の銅合金は、上記の如くビッカース硬さ２５０以上の非常に高い値を発揮する。これは前記した工具等に求められる値であるが、導電性、延性が求められるモールド用材であると、過度な硬さを求めるよりも、硬すぎることによって導電性、延性が下がらないように適度な硬さが要求される点において殊更に考慮が必要となる。しかも、モールド用材としては、モールド温度が例えば約３５０℃前後の状態で使用され、しかも、繰り返しの熱応力が発生し、モールドに割れが生じる可能性が大きくなる。そのため、熱疲労強度も特段に必要となる。

さらに、特許文献１の場合であると、電気電子部品材には引張強度及び導電性（耐火花発生性）、安全工具材には強度、耐摩耗性、導電性（耐火花発生性）が要求される。これはそれぞれの分野毎に要求される特性が違うためであるが、これに対して、モールド用材は、導電性、延性、耐摩耗性、強度等、要求される特性が数多く、これらを同時に満足させる必要があった。

この発明は、上記のような観点から、特に、高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金であって、さらにクリープ特性（高温強度）、引張強度、導電率、耐熱性、延性、曲げ加工性等にも優れ、しかも、製造においてコスト高となる冷間鍛造を省くことが可能となるモールド用銅基合金を提供することを課題とした。

上記の課題を解決するために、この発明は、請求項１，２，３及び４にそれぞれ記載するモールド用銅基合金を提供する。表１においてそれをまとめ、そして、元素を特徴毎に分けて請求項毎の内容を明らかにした。

第一群の元素は、割合が変化する基材としてのＣｕに、高温特性、導電性、強度、延性をそれぞれ向上させ、第二群元素は、強度、延性を向上させるためにそれぞれ添加される。また、第三群元素のうち、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎは強度、導電性の向上（アップ）を、Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，Ｂｅは強度、高温特性の向上を、さらにＰｂ，Ｂｉは強度、加工性（切削性）の向上をそれぞれ目的として添加される成分である。

また、上記の構成によれば、特許文献１の発明の成分範囲を絞った値となり、これでモールド用材に要求される多くの特性を同時に実現した。また、モールドの製造における冷間鍛造の省略については、従来では冷間鍛造を行わないと発現できなかった引張強さ≧３６０Ｎ／ｍｍ^２、０．２％耐力≧２９５Ｎ／ｍｍ^２、伸び≧１５％等の値を冷間鍛造を行わずに得られた。つまり、モールドの製造工程は、溶解→鋳造→熱間鍛造→溶体化処理→時効処理→納入寸法加工とすることが不都合なく可能となり、冷間鍛造工程を省略しても、モールドとして必要な諸特性が確保され、且つ、冷間鍛造工程を省くことで、鍛造コストを５０％程度減らすことができた。

（１）請求項１のモールド用銅基合金は、質量で、Ｔｉ：０．０５〜１．０％（０．０１〜５％）、Ｃｒ：０．０５〜２．０（０．０１〜５％）、Ｚｒ：０．０５〜０．７％（０．０１〜５％）を含有し残部Ｃｕ及び不純物からなるものである。括弧内は特許文献１の発明における同じ成分の範囲を示すもので、これから分かるように、本願発明では特許文献１の発明の範囲内にあるにしても、殊に高温対策上の改善から厳格なものとなっている。また、請求項１は本発明の基本となる構成であるので、これを基本に他の銅基合金の展開が可能となるが、最良の形態として請求項２〜４の発明を提示した。

所定範囲における元素の添加目的を具体的に説明すると、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒは、それぞれに共通して強度上昇を目的として添加されるものであるが、Ｔｉについては、上限値を超えると％ＩＡＣＳの低下が大きく導電性の低下をもたらし、下限値を下回ると所定の強度アップの効果が得られない。Ｃｒは、上限値を超えると過飽和Ｃｒ粒子が大きく加工性が悪くなり、下限値を下回るとＴｉの結晶粒界への析出を抑制する効果が得られない。また、Ｚｒでは、上限値を超えると溶湯酸化が著しく現れ、下限値を下回ると高温伸び、強度アップ効果が得られない。

（２）請求項２のモールド用銅基合金は、請求項１の基本構成に、第二群の元素（１種以上）を加えた構成となるもので、第二群元素のＮｉ：０．０５〜１．５％（０．０１〜３）、Ｎｂ：０．０３〜１．０％（０．０１〜５）、Ｓｎ：０．０５〜１．０％（０．０１〜５）の内、１種以上を含有し残部をＣｕおよび不純物からなるものである。ここでも括弧内の値に対して示す通り、高温での強度アップのために特許文献１よりも元素の添加範囲が厳格なものとなっている。

特に、ＮｉおよびＳｎは主として強度上昇を目的として添加されるが、Ｎｉでは、上限値を超えると添加量が増加しても強度アップの効果が少なく、下限値を下回ると析出効果が得られない。Ｓｎの場合は、上限値を超えるとＣｕのマトリックスに固溶強化となるが、％ＩＡＣＳの低下が大きく、下限値を下回るとＣｕのマトリックスに固溶強化が期待できない。また、Ｎｂにおいては、上限値を超えても高温での伸びが改善されるが添加の割りに効果が少なく、下限値を下回ると高温での伸びの改善がなく靱性が得られない。

（３）請求項３のモールド用銅基合金は、請求項１の構成に、第三群の元素を加えた構成であるが、その第三群から１種以上が選択される内容である。第三群の元素については、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ａｌ：０．０１〜２．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｂ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０１〜１．０％、Ｐｂ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．０％である。

（４）請求項４のモールド用銅基礎合金は、請求項１の構成に、第二群の元素（１種以上）と、第三群の元素（１種以上）とを加えた構成である。

第三群の各元素は、いずれも強度アップを図るものであるが、Ｆｅについては、上限値を超えると％ＩＡＣＳの低下が大きく、下限値を下回ると強度及び耐熱性が得られない。Ｃｏは、上限値を超えると％ＩＡＣＳの低下が大きく、下限値を下回ると析出硬化能がえられない。また、Ｍｎでは、上限値を超えると添加の割りに強度アップの効果がなく、下限値を下回ると所定の強度アップの効果が得られない。

また、第三群中のＡｌ，Ｍｇ，Ｓｉは、強度アップの他に、高温特性アップを図るもので、そのうち、Ａｌについては、上限値を越えるとＴｉの固溶限が増加し逆に強度低下を招き、下限値を下回るとＴｉとの相互作用によるＡｌの効果がえられない。また、Ｍｇでは、上限値を上回ると高温での伸びの改善効果は添加の割りに望めなく、下限値を下回ると高温での靱性が得られない。Ｓｉについては、上限値を上回ると過剰なＳｉとなり添加の割りに効果がなく、％ＩＡＣＳの低下が大きくなり、下限値を下回るとＴｉとの化合物生成が少なく所定の強度が得られない。

第三群中のＢ，Ｂｅは、同じく強度アップの他に、高温特性のアップを図るもので、そのうちのＢについては、上限値を上回ると添加の割りに効果がなく不経済であり、下限値を下回ると高温の伸び、強度アップの改善が見られない。Ｂｅは、上限値を上回ると粒界反応により逆に強度低下し、下限値を下回ると所定の強度アップの効果が得られない。

第三群中のＰｂ，Ｂｉは、強度アップの他に、加工性（切削性）アップを図るためのものであるが、上限値を上回ると強度、耐熱性が著しく低下し、下限値を下回ると切削性の改善がない。

以上、Ｃｕに対して添加される各元素の添加目的と、添加の上限値を超えた場合、下限値を下回った場合の主な特性の変化をまとめて表２に示す。

１．本願発明の実施例としてのモールド用銅基合金を表３，表４，表５に示し、比較例銅基合金を表６に示した。これら実施例合金NO.１〜NO.１２０及び比較例合金NO.１〜１４の成分からなる各合金を、高周波誘導炉にて溶製し、φ１０５×１２０Ｌのインゴットを鋳造し、そのインゴットをφ３５×９５０Ｌの丸棒に熱間鍛造した。その後９７０〜１０３０℃の範囲で溶体化熱処理を施し、４５０〜５１０℃の範囲で時効硬化熱処理を行って供試材とした。なお、使用原材料は表７に示す通りである。

２．高温引張試験、高温回転曲げ疲労試験、硬さ試験、導電率測定
各材質の供試材から、引張試験片（ＪＩＳＺ２２０１１４Ａ号）、回転曲げ疲労試験片（図１）及び硬さ試験片（φ３５×２０Ｌ）、導電率測定用試験片（φ３５×２０Ｌ）を機械加工し、引張試験、回転曲げ疲労試験、硬さ試験を行った。

疲労特性の試験については、高温回転曲げ疲労試験で評価すると、３５０℃で曲げ応力２１０Ｎ／ｍｍ^２の破断までの繰り返し回数（回）１０^６以上に耐えて合格した値を、Ａ，Ｂ，Ｃにランク付けした。

また、耐摩耗性については、モールド用材に要求されるブリネル硬さ（ＨＢ）で１２０以上をＡ，Ｂ，Ｃにランク付けして示した。その他に、高温硬度、高温引張強度、高温伸び、耐食性、高延性を備えていた。

上記試験結果は、本発明実施例合金については、表８，表９，表１０に、比較例合金については表１１に示す通りである。

以上から分かるように、この発明銅基合金は、高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金であって、さらにクリープ特性（高温強度）、引張強度、導電率、耐熱性、延性、曲げ加工性等にも優れ、しかも、製造においてコスト高となる冷間鍛造を省くことが可能となるモールド用銅基合金を提供することに成功したものである。

この発明に係るモールド用銅基合金の回転曲げ疲労試験に使用した供試材の側面図である。

Claims

質量％で、Ｔｉ：０．０５〜１.０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．７％を含有し、残部をＣｕ及び不純物からなる高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金。
質量％で、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．７％を含有し、第二群としてＮｉ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．０３〜１．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％の内、１種以上の元素を含有し、残部をＣｕ及び不純物からなる高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金。
質量％で、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．７％を含有し、第三群としてＦｅ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ａｌ：０．０１〜２．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｂ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０１〜１．０％、Ｐｂ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．０％の内、１種以上の元素を含有し、残部をＣｕ及び不純物からなる高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金。
質量％で、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．７％を含有し、第二群のＮｉ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．０３〜１．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％の内、１種以上の元素を含有し、第三群としてＦｅ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ａｌ：０．０１〜２．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｂ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０１〜１．０％、Ｐｂ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．０％の内、１種以上の元素を含有し、残部をＣｕ及び不純物からなる高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたモールド用銅基合金。