JP2889313B2 - 析出硬化型銅合金の溶体化処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、Cu−Cr系、Cu−Zr系、およびCu−Zr−Cr系
の析出硬化型銅合金の溶体化処理方法に関する。

［従来の技術］ 析出硬化型銅合金の時効硬化を充分に行うには、溶体
化処理によって析出に寄与する成分の固溶・均質化を行
った後に時効硬化処理を行う必要がある。このような時
効硬化処理の結果、析出相を銅母相中に微細に分布させ
ることができる。

しかし、溶体化処理で析出硬化型銅合金の冷却が遅い
と、銅合金母相中に析出硬化にあまり寄与しない析出相
が析出する。これは、溶体化処理時に析出硬化型銅合金
母相中に導入された空孔が、その析出を促進するからで
ある。析出硬化にあまり寄与しない析出相が析出した析
出硬化型銅合金は、時効硬化処理を行っても充分に強化
できない。そこで、従来の析出硬化型銅合金の溶体化処
理方法は、溶体化処理の際に析出硬化型銅合金を1000℃
／分程度の冷却速度で急冷していた。

なお、母相の単相化する温度まで加熱した押出加工前
のビレット溶体化処理、熱間圧延前のケーク溶体化処理
等も溶体化処理の範疇に包含される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、溶体化処理で析出硬化型銅合金を効率
よく急冷するには、急冷処理の可能な溶体化処理設備が
必要である。このような溶体化処理設備は、大型であ
り、設備価格も高い。しかも、従来の場合には、材料の
熱容量を小さくしなければならず、工業的な処理方法と
して適さない問題があった。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、
簡易な設備で実施可能であり、しかも、最終の冷却工程
中に析出硬化に寄与しない析出相が析出するのを防止で
きる析出硬化型銅合金の溶体化処理方法を提供するもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、Cuを主成分とし、析出硬化成分として0.02
〜0.5重量％のCrを含有する析出硬化型銅合金を850〜10
50℃の温度で10分以上加熱してCuにCrを固溶させる第１
溶体化処理工程と、該第１溶体化処理後の銅合金を800
〜950℃の第２溶体化処理温度まで冷却する第１冷却工
程と、該第１冷却工程後の銅合金に前記第２溶体化処理
温度で５分以上の加熱を施してCuにCrを固溶させる第２
溶体化処理工程と、該第２溶体化処理後の銅合金を５℃
／分以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを具備す
ることを特徴とする析出硬化型銅合金の溶体化処理方法
である。

また、本発明は、Cuを主成分とし、析出硬化成分とし
て0.01〜3.5重量％のZrを含有する析出硬化型銅合金を8
50〜950℃の温度で10分以上加熱してCuにZrを固溶させ
る第１溶体化処理工程と、該第１溶体化処理後の銅合金
を800〜850℃の第２溶体化処理温度まで冷却する第１冷
却工程と、該第１冷却工程後の銅合金に前記第２溶体化
処理温度で５分以上の加熱を施してCuにZrを固溶させる
第２溶体化処理工程と、該第２溶体化処理後の銅合金を
５℃／分以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを具
備することを特徴とする析出硬化型銅合金の溶体化処理
方法である。

また、本発明は、Cuを主成分とし、析出硬化成分とし
て0.01〜3.5重量％のZrおよび0.02〜1.0重量％のCrを含
有する析出硬化型銅合金を900〜1000℃の温度で10分以
上加熱してCuにZrおよびCrを固溶させる第１溶体化処理
工程と、該第１溶体化処理後の銅合金を800〜880℃の第
２溶体化処理温度まで冷却する第１冷却工程と、該第１
冷却工程後の銅合金に前記第２溶体化処理温度で５分以
上の加熱を施してCuにZrおよびCrを固溶させる第２溶体
化処理工程と、該第２溶体化処理後の銅合金を５℃／分
以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを具備するこ
とを特徴とする析出硬化型銅合金の溶体化処理方法であ
る。

［作用］ 本発明の析出硬化型銅合金の溶体化処理方法によれ
ば、まず、第１溶体化処理により、析出硬化に寄与する
成分が固溶化する。次に、これを所定温度まで冷却す
る。次いで、冷却後の銅合金に第２溶体化処理を所定時
間施す。この第２溶体化処理の際に第１溶体化処理で析
出硬化型銅合金母相中に導入された空孔の濃度が減少す
る。これにより、析出硬化型銅合金を急冷することな
く、しかも、最終の冷却工程で析出硬化に寄与しない析
出相が析出するのを抑えることができる。この結果、均
質な過飽和固溶体を得ることができ、時効処理の際に析
出硬化に寄与する成分を充分に析出させて、析出硬化型
銅合金を充分に強化できる。

［実施例］ 以下、本発明の析出硬化型銅合金の溶体化処理方法を
その工程順に説明する。

強化する析出硬化型銅合金は、Cu−Cr系、Cu−Zr系お
よびCu−Zr−Cr系のものである。

Cu−Cr系の析出硬化型銅合金は、Cuを主成分とし、0.
02〜0.5重量％のCr、不可避不純物、および必要に応じ
て固溶強化成分を含有するものである。Crの含有量が0.
02重量％未満であると、充分に強化された析出硬化型銅
合金が得られない。また、Crの含有量が0.5重量％を超
えると、析出硬化型銅合金が溶体化処理の際に過剰のCr
を固溶化し、析出硬化型銅合金結晶に歪みを発生させ
る。この歪みによって、析出硬化型銅合金結晶に格子欠
陥ができる。その結果、優れた特性を有する析出硬化型
銅合金を得ることができない。

また、Cu−Zr系の析出硬化型銅合金は、Cuを主成分と
し、0.01〜3.5重量％のZr、不可避不純物、および必要
に応じて固溶強化成分を含有するものである。Zrの含有
量の限定理由は、Crの場合と同様である。

また、Cu−Zr−Cr系の析出硬化型銅合金は、Cuを主成
分とし、0.01〜3.5重量％のZr、0.02〜1.0重量％のCr、
不可避不純物，および必要に応じて固溶強化成分を含有
するものである。ZrおよびCrの含有量の限定理由は、Zr
およびCrの場合と同様である。

固溶強化成分は、時効硬化処理後も合金中に固溶して
強度向上に寄与する。このようなものとして、Ｐ、Al、
Sn、Zn、Mn、Siが挙げられる。また、固溶強化成分の含
有量は、SnおよびMnについては３重量％以下、その他の
ものについては0.5重量％以下であることが好ましい。

このような析出硬化型合金を次のように溶体化処理す
る。

まず、析出硬化型銅合金に次のような加熱温度で10分
以上の第１溶体化処理を施す。第１溶体化処理の際の加
熱温度は、Cu−Cr系析出硬化型銅合金の場合は、850〜1
050℃に設定し、Cu−Zr系析出硬化型銅合金の場合は、8
50〜950℃に設定し、Cu−Zr−Cr系析出硬化型銅合金の
場合は、900〜1000℃に設定する。第１溶体化処理は、
析出硬化型銅合金中の析出硬化に寄与する成分を固溶さ
せるためのものである。したがって、第１溶体化処理の
際の加熱温度は、析出硬化型銅合金の銅母相が単相化す
る温度よりも高く、銅母相単相域で素材の酸化や溶融等
の劣化が起こならい範囲で、可能なかぎり高く設定する
のが好ましい。しかし、銅母相が、単相化する温度付近
では、銅母相が均質化するまでに非常に長い時間を要
し、非能率的である。そこで、第１溶体化処理の際の加
熱温度は、銅母相が単相化する温度よりも少なくとも50
℃以上高く設定する方がよい。

また、第１溶体化処理の時間は、析出硬化型銅合金中
に析出硬化に寄与する成分が均質に固溶するに充分な時
間に設定する。この第１溶体化処理時間は、具体的には
10分以上に設定するのが望ましい。

次に、第１溶体化処理後の析出硬化型銅合金を第２溶
体化処理を行う際の温度まで冷却する。次いで、析出硬
化型銅合金に第２溶体化処理を所定時間施す。なお、第
１溶体化処理後の析出硬化型銅合金を第２溶体化処理の
温度まで冷却するときの冷却速度は、工業的に問題がな
ければ、どのような冷却速度に保持してもさしつかえな
い。

また、第２溶体化処理の際の加熱温度は、Cu−Cr系の
析出硬化型銅合金の場合は、800〜950℃に設定し、Cu−
Zr系析出硬化型銅合金の場合は、800〜850℃に設定し、
Cu−Zr−Cr系析出硬化型銅合金の場合は、800〜880℃に
設定する。

第２溶体化処理は、第１溶体化処理によって析出硬化
型銅合金母相中に導入された空孔を減少させるためのも
のである。銅合金母相中の空孔濃度が高いと、冷却工程
の際に析出する成分元素の拡散が活発になる。また、空
孔自体が核生成サイトを形成して析出硬化に寄与しない
析出相を増加させる。そこで、第２溶体化処理によって
空孔密度を減少させて、平衡空孔濃度にするものであ
る。平衡空孔濃度とは、時効硬化処理に支障を与えない
程度の空孔濃度をいう。第２溶体化処理の際の温度を銅
合金母相が単相化する温度付近の温度に保持することに
よって、銅合金母相内で平衡空孔濃度を達成することが
できる。

また、第２溶体化処理の際の時間は、銅合金母相内に
平衡空孔濃度が得られるように設定する。この第２溶体
化処理の時間は、具体的には５分以上に設定するのが好
ましい。

第２溶体化処理後の析出硬化型銅合金の冷却速度は、
５℃／分以上に設定する。これは、冷却速度が５℃／分
未満であると、第２冷却工程で析出硬化に寄与しない析
出相の析出を充分に抑えられないからである。

このようにCu−Cr系、Cu−Zr系およびCu−Zr−Cr系の
析出硬化型銅合金に第１溶体化処理を施し、析出硬化に
寄与する成分を銅母相中に固溶させる。次いで、析出硬
化型銅合金を第１冷却工程を経て第２溶体化処理の際の
温度まで冷却する。次いで、これに第２溶体化処理を施
して、第１溶体化処理で析出硬化型銅合金母相中に導入
された空孔の濃度を減少させる。その後、第２冷却工程
によって、析出硬化型銅合金内に、均質な過飽和固溶体
を形成させる。これにより、その後の時効硬化処理にお
いて析出硬化に寄与する成分が微細に分布する。この結
果、析出硬化型銅合金を充分に強化することができる。

以下、本発明の効果を確認にするために行った実験例
について説明する。

実験例１〜３ まず、析出硬化成分として0.3重量％のCr、固溶強化
成分として0.25重量％のSn、および0.2重量％のZnを含
有する析出硬化型銅合金を、電気炉内で1200℃に加熱
し、溶解した。この溶解した析出硬化型銅合金を鋳造し
て長さ200mm、幅80mm、厚さ20mmの寸法の板状体とし
た。この板状体を800℃で厚さ5mmに熱間圧延した。さら
に、これを厚さ1mmに冷間圧延して薄板状体を作製し
た。

次に、得られた薄板状体に950℃で30分間加熱して第
１溶体化処理を施した。第１溶体化処理後、薄板状体を
900℃まで10℃／分の冷却速度で冷却した。次に、これ
を900℃の温度で30分間保持して、薄板状体に第２溶体
化処理を施した。その後、第２溶体化処理後の薄板状体
を室温まで250℃／分の冷却速度で冷却した。

このようにして、本発明を適用して溶体化処理を行っ
た析出硬化型銅合金薄板状体（実験例１）を得た。ま
た、室温まで冷却する冷却速度を100℃／分、40℃／分
にした点以外は、上記と同様にして析出硬化型銅合金薄
板状体（実験例2,3）を得た。

このようにして得た３つの析出硬化型銅合金薄板状体
に450℃で30分間の時効硬化処理を施した後、氷水中に
投入して焼入れした。その後、それぞれの析出硬化型銅
合金薄板状体の引張り強度を調べた。その結果を溶体化
処理条件と共に下記第１表に示す。

なお、引張強度は、前記薄板状体を所定の寸法に切断
して引張り試験片を作製し、この試験片をアムスラー型
引張り試験機に取り付けて測定した。

比較例１〜３ 実験例１と同様の薄板状体を用いて、これに950℃で6
0分間溶体化処理を施した。その後、加熱処理後の薄板
状体を室温まで250℃／分の速度で冷却した。

このようにして、従来の溶体化処理を施した析出硬化
型銅合金薄板状体（比較例１）を得た。また、室温まで
冷却する速度を100℃／分、40℃／分にした点以外は比
較例１と同様にして比較例2,3の析出硬化型銅合金薄板
状体を得た。

これらの析出硬化型銅合金薄板状体の引張り強度を、
実験例１と同様にして調べた。その結果を下記第１表に
併記する。

実験例４〜６ まず、析出硬化成分として0.1重量％のZrを含有する
析出硬化型銅合金を電気炉内で1200℃に加熱し溶解し
た。これに実験例１と同様に圧延処理して薄板状体を得
た。

次に、得られた薄板状体に930℃で30分間加熱して第
１溶体化処理を施した。第１溶体化処理工程後、薄板状
体を850℃まで10℃／分の冷却速度で冷却した。次に、8
50℃の温度で30分間保持して、薄板状体に第２溶体化処
理を施した。その後、第２溶体化処理後の薄板状体を室
温まで250℃／分の冷却速度で冷却した。

このようにして、実験例４の析出硬化型銅合金薄板状
体を得た。また、室温まで冷却する速度を100℃／分、4
0℃／分にした点以外は実験例４と同様にして実験例5,6
の析出硬化型銅合金薄板状体を得た。

これらの析出硬化型銅合金薄板状体の引張り強度を実
験例１と同様にして調べた。その結果を、下記第１表に
併記する。

比較例４〜６ 実験例４と同様の薄板状体を用いて、これに930℃で6
0分間溶体化処理を施した。その後、加熱処理後の薄板
状体を室温まで250℃／分の冷却速度で冷却した。

このようにして、従来の溶体化処理を施した比較例４
の析出硬化型銅合金薄板状体を得た。また、室温まで冷
却する速度を100℃／分、40℃／分にした点以外は比較
例４と同様にして比較例5,6の析出硬化型銅合金薄板状
体を得た。

これらの析出硬化型銅合金薄板状体の引張り強度を、
実験例１と同様にして調べた。その結果を下記第１表に
併記する。

実験例７〜９ まず、析出硬化成分として0.3重量％のCrおよび0.1重
量％のZrを含有する析出硬化型銅合金を電気炉内で1200
℃に加熱し溶解した。これに実験例１と同様に圧延処理
して薄板状体を得た。

次に、得られた薄板状体に950℃で30分間加熱して第
１溶体化処理を施した。第１溶体化処理工程後、薄板状
体を880℃まで10℃／分の冷却速度で冷却した。次に、8
80℃の温度で30分間保持して、薄板状体に第２溶体化処
理を施した。その後、第２溶体化処理後の薄板状体を室
温まで250℃／分の冷却速度で冷却した。

このようにして、実験例７の析出硬化型銅合金薄板状
体を得た。また、室温まで冷却する速度を100℃／分、4
0℃／分にした点以外は実験例７と同様にして実験例8,9
の析出硬化型銅合金薄板状体を得た。

これらの析出硬化型銅合金薄板状体の引張り強度を時
効硬化処理の温度を500℃にした点以外は実験例１と同
様にして調べた。その結果を、下記第１表に併記する。

比較例７〜９ 実験例７と同様の薄板状体を用いて、これに950℃で6
0分間溶体化処理を施した。その後、加熱処理後の薄板
状体を室温まで250℃／分の冷却速度で冷却した。

このようにして、従来の溶体化処理を施した比較例７
の析出硬化型銅合金薄板状体を得た。また、室温まで冷
却する速度を100℃／分、40℃／分にした点以外は比較
例７と同様にして比較例8,9の析出硬化型銅合金薄板状
体を得た。

これらの析出硬化型銅合金薄板状体の引張り強度を、
実験例７と同様にして調べた。その結果を、下記第１表
に併記する。

第１表から明らかなように、本発明の溶体化処理方法
を行って得た析出硬化型銅合金（実験例１〜９）は、時
効硬化処理後の引張強度が高いものであった。これに対
して、従来の溶体化処理方法を行って得られた析出硬化
型銅合金（比較例１〜９）は、いずれも時効硬化後の引
張強度が低いものであった。

以上の結果、明らかなように本発明の析出硬化型銅合
金の溶体化処理方法は、次のような効果を奏する。

急冷することなしに優れた特性を有する析出硬化型銅
合金に効率よく溶体化処理することができる。

熱間圧延時の加熱による溶体化処理、連続焼鈍炉やベ
ル炉による溶体化処理が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明にかかる析出効果型銅合金
の溶体化処理方法によれば、簡易な設備で実施可能であ
り、しかも、最終の冷却工程中に析出効果に寄与しない
析出相が析出するのを防止できるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ａ ６８２ ６８２ ６８６ ６８６Ｚ ６９１ ６９１Ｂ ６９１Ｃ ６９２ ６９２Ｂ ６９２Ａ ６９３ ６９３Ａ ６９３Ｂ (56)参考文献 特開 平１−319653（ＪＰ，Ａ) 日本金属学会誌 第53巻 第７号 （1989）ＰＰ672−677 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22F 1/08 C22C 9/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Cuを主成分とし、析出硬化成分として0.02
   〜0.5重量％のCrを含有する析出硬化型銅合金を850〜10
   50℃の温度で10分以上加熱してCuにCrを固溶させる第１
   溶体化処理工程と、該第１溶体化処理後の銅合金を800
   〜950℃の第２溶体化処理温度まで冷却する第１冷却工
   程と、該第１冷却工程後の銅合金に前記第２溶体化処理
   温度で５分以上の加熱を施してCuにCrを固溶させる第２
   溶体化処理工程と、該第２溶体化処理後の銅合金を５℃
   ／分以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを具備す
   ることを特徴とする析出硬化型銅合金の溶体化処理方
   法。
2. 【請求項２】Cuを主成分とし、析出硬化成分として0.02
   〜0.5重量％のZrを含有する析出硬化型銅合金を850〜95
   0℃の温度で10分以上加熱してCuにZrを固溶させる第１
   溶体化処理工程と、該第１溶体化処理後の銅合金を800
   〜850℃の第２溶体化処理温度まで冷却する第１冷却工
   程と、該第１冷却工程後の銅合金に前記第２溶体化処理
   温度で５分以上の加熱を施してCuにZrを固溶させる第２
   溶体化処理工程と、該第２溶体化処理後の銅合金を５℃
   ／分以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを具備す
   ることを特徴とする析出硬化型銅合金の溶体化処理方
   法。
3. 【請求項３】Cuを主成分とし、析出硬化成分として0.01
   〜3.5重量％のZrおよび0.02〜1.0重量％のCrを含有する
   析出硬化型銅合金を900〜1000℃の温度で10分以上加熱
   してCuにZrおよびCrを固溶させる第１溶体化処理工程
   と、該第１溶体化処理後の銅合金を800〜880℃の第２溶
   体化処理温度まで冷却する第１冷却工程と、該第１冷却
   工程後の銅合金に前記第２溶体化処理温度で５分以上の
   加熱を施してCuにZrおよびCrを固溶させる第２溶体化処
   理工程と、該第２溶体化処理後の銅合金を５℃／分以上
   の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを具備することを
   特徴とする析出硬化型銅合金の溶体化処理方法。