CN109504873A - 模具磨损性优异的Cu-Ni-Si系铜合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供模具磨损性优异的Cu‑Ni‑Si系铜合金。Cu‑Ni‑Si系铜合金,以质量%计,含有Ni:2.0~5.0%、Si:0.3~1.5%,Ni/Si比为1.3以上且6.7以下,且剩余部分由Cu和不可避杂质构成,0.2%耐力YS为700MPa以上,直径0.5~0.6μm的第1 Ni‑Si粒子为0.04×103~1.4×103个/mm2,直径不足0.5μm的第2 Ni‑Si粒子的个数为前述第1 Ni‑Si粒子的个数以上且不足4.0×103个/mm2。
Description
技术领域
本发明涉及适合于例如连接器、端子、继电器、开关等导电性弹性材料(ばね材)的Cu-Ni-Si系铜合金。
背景技术
一直以来,作为端子或连接器的材料,使用作为固溶强化型合金的黄铜或磷青铜。然而,随着电子设备的高性能化,所使用的铜合金要求高电流。于是,与以往的固溶强化型的铜合金相比,使用了强度、导电性和导热性优异的析出强化型的铜合金。关于析出强化型的铜合金,通过将经固溶处理的过饱和固溶体进行时效处理,微细的析出物均匀地分散,使合金的强度变高,同时铜中的固溶元素量减少,而提高导电性。因此,强度、弹性(ばね性)等机械性质优异,并且使导电性、导热性变得良好。
作为析出强化型铜合金,开发了Cu-Ni-Si系铜合金(专利文献1)。然而,通常Cu-Ni-Si系铜合金由于连续压制加工中的压制冲切面的剪切面较大、模具中的冲头等工具与材料接触的面积増加,所以促进磨损。因此,存在模具的维护频率变高而生产性降低的问题,期望着抑制该问题。
于是,近年来,作为改善科森合金的模具磨损性的技术,提出了控制析出物的个数与分布的措施。例如,专利文献2的发明中,通过依次包括(1)热轧、(2)冷轧、(3)固溶处理、(4)时效处理、(5)最终冷轧、(6)应变消除退火的工序,且以开始温度300~450℃实施热轧最终道次结束后的冷却,以每1道次的平均轧制率为15~30%、总轧制率为70%以上实施固溶处理前的冷轧,将固溶处理在800~900℃下实施60~120秒,将时效处理在400~500℃下实施7~14小时。
由此,将表面的粒径20~80nm的Ni-Si析出物粒子的个数控制在1.5×106~5.0×106个/mm2、将表面的粒径超过100nm的Ni-Si析出物粒子的个数控制在0.5×105~4.0×105个/mm2,在将从表面起的厚度为全板厚度的20%的表面层中的粒径20~80nm的Ni-Si析出物粒子的个数设为a个/mm2、将距离前述表面层的内在部分中的粒径20~80nm的Ni-Si析出物粒子的个数设为b个/mm2的情况下,使a/b控制成0.5~1.5,改善了耐模具磨损性。
专利文献3的发明中,通过依次包括(1)铸造(以10~30℃/秒的冷却速度铸造)、(2)再热处理(850~950℃下2~8小时)、(3)热轧(结束温度680~780℃、轧制时间180~450秒、冷却时间40~180℃/秒)、(4)表面研磨、(5)冷轧、(6)固溶处理(950℃下20秒、之后立即水淬)、(7)时效热处理(在温度425~500℃、时间1~6小时下实施)、(8)冷轧(轧制率10%)的工序进行实施。
由此,控制成满足(a)(包含合计为50mass%以上的Ni和Si的3种类的金属间化合物A(直径:0.3μm以上且2μm以下)、B(直径:0.05μm以上且不足0.3μm)、C(直径:超过0.001μm且不足0.05μm))、(b)(垂直于铜合金板材料的轧制方向的截面中的结晶粒径的横向长度x(μm)与纵向长度y(μm)满足关系式[x/y≥2])、和(c)(化合物A的分散密度a、前述金属间化合物B的分散密度b和前述金属间化合物C的分散密度c满足关系式[a/(b+c)≤0.010]和[0.001≤(b/c)≤0.10]),改善了耐模具磨损性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第WO2011/068134号;
专利文献2:国际公开第WO2013/094061号;
专利文献3:特开2008-95185号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
然而,以往的Cu-Ni-Si系铜合金虽然改善耐模具磨损性,但在强度更高的领域的研究尚未充分地进行。
鉴于这些情况,本发明是为了解决上述课题而进行的发明,目的在于,提供模具磨损性优异的Cu-Ni-Si系铜合金。
用于解决课题的手段
析出强化型的Cu-Ni-Si系铜合金通过时效处理使nm级的粒径的Ni-Si粒子以析出物形式大量地析出,但仍存在许多无助于强度提高的微细的μm级的粒径的Ni-Si粒子。
本发明人发现了:在Ni的含量为2.0%以上、并且Ni/Si比为1.3以上且6.7以下、0.2%耐力YS为700MPa以上的高强度的情况下,将Cu-Ni-Si系铜合金的材料进行压制加工时,若存在于材料的表面和断裂面的μm级的Ni-Si粒子与模具接触,则以该粒子为起点会发生刮痕磨损。而且,明确了:直径0.5~0.6μm的Ni-Si粒子的个数与划痕的个数有关。于是,发现了:通过抑制直径0.5~0.6μm的Ni-Si析出物,可以提高模具磨损性。
而且,发现了:在产品的拉伸强度TS(MPa)与0.2%耐力YS(MPa)之比即屈服比YS/TS为0.9以上、加工硬化指数n值(以下,n值)为0.05以下的情况下,进一步提高耐模具磨损性。
另外,还判明了:若直径不足0.5μm的Ni-Si粒子的个数少于直径0.5~0.6μm的Ni-Si粒子的个数,则会促进粘附磨损,若超过直径0.6μm的Ni-Si粒子的个数多于直径0.5~0.6μm的Ni-Si粒子的个数,则会促进刮痕磨损。
需说明的是,在Ni的含量为不足2.0%、0.2%耐力YS为不足700MPa的情况下,Ni-Si粒子的个数对模具磨损性产生影响的现象并不明显。
而且,如果为nm级的粒径的Ni-Si粒子,则可以通过控制固溶和时效处理的条件进行调整,但若想要控制μm级的Ni-Si粒子,则必须进行过时效等,会损害强度等的特性。于是,发现了:通过控制热轧条件来规范热轧直后的Ni-Si粒子的直径与个数。
为了达到上述目的,本发明的Cu-Ni-Si系铜合金以质量%计含有Ni:2.0~5.0%、Si:0.3~1.5%,Ni/Si比为1.3以上且6.7以下,剩余部分(余量)由Cu和不可避杂质构成,0.2%耐力YS为700MPa以上,直径0.5~0.6μm的第1 Ni-Si粒子为0.04×103~1.4×103个/mm2,直径不足0.5μm的第2 Ni-Si粒子的个数为前述第1 Ni-Si粒子的个数以上且不足4.0×103个/mm2。
屈服比YS/TS优选为0.9以上、加工硬化系数n值优选为0.05以下。
本发明的Cu-Ni-Si系铜合金优选进一步含有总量为0.005~1.0质量%的选自Mg、Mn、Sn、Zn和Cr的至少1种以上。
发明效果
根据本发明,可获得模具磨损性优异的Cu-Ni-Si系铜合金。
附图简述
[图1] 是说明用于定量模具磨损的冲头的磨损面积的图。
具体实施方式
以下,对本发明的实施方式所涉及的Cu-Ni-Si系铜合金进行说明。需说明的是,本发明中,%只要没有特别说明则表示质量%。
(组成)
[Ni、Co和Si]
铜合金中,含有Ni:2.0~5.0%、Si:0.3~1.5%,Ni/Si比为1.3以上且6.7以下。Ni和Si通过实施适当的热处理而形成金属间化合物,不使导电率劣化而提高强度。
若Ni和Si的含量为不足上述范围,则无法获得强度的提高效果,若超过上述范围,则导电性降低,同时热加工性降低。
在Ni/Si比不足1.3的情形下、和Ni/Si比超过6.7的情形下,导电率均显著降低。
[其他添加元素]
合金中,可进一步含有总量为0.005~1.0质量%的选自Mg、Mn、Sn、Zn和Cr的至少1种以上。
Mg提高强度和耐应力松弛特性。Mn提高强度和热加工性。Sn提高强度。Zn提高焊接部的耐热性。由于Cr和Ni同样地与Si形成化合物,所以通过析出硬化不使导电率劣化而提高强度。
需说明的是,上述的各元素的总量若不足上述范围,则无法获得上述的效果,若超过上述范围,则有时会导致导电率的降低。
[Ni-Si粒子]
Cu-Ni-Si系铜合金中所含的直径0.5~0.6μm的第1 Ni-Si粒子(析出物)为0.04×103~1.4×103个/mm2。
如上所述,第1 Ni-Si粒子产生模具的刮痕磨损。
因此,第1 Ni-Si粒子的个数以少者为佳,但在Cu-Ni-Si系铜合金的每单位面积、第1 Ni-Si粒子不足0.04×103个/mm2的情形下,会促进Cu-Ni-Si系铜合金粘附于模具的粘附磨损。
在此,由于Ni-Si粒子在压制时应力集中,成为裂纹的起点,所以Ni-Si粒子越大或分布越多,则材料与剪切面的比例变得越小。这是由于,Ni-Si粒子的个数越多则应力集中部分越多,裂纹越在早期进展,使得材料与剪切面的比例变得越小。而且,由于剪切面是压制中与模具接触的面,所以若该面积增加则模具与材料的接触时间变长,并且粘附物容易从材料附着于模具上。
另一方面,若第1 Ni-Si粒子超过1.4×103个/mm2,则会促进模具的刮痕磨损。
Cu-Ni-Si系铜合金中所含的直径不足0.5μm的第2 Ni-Si粒子的个数为第1 Ni-Si粒子的个数以上且不足4.0×103个/mm2。
若第2 Ni-Si粒子的个数少于第1 Ni-Si粒子的个数,则会促进粘附磨损。另一方面,若第2 Ni-Si粒子的个数为4.0×103个/mm2以上,则会促进刮痕磨损。
在此,由于第2 Ni-Si粒子的个数对模具磨损的影响与第1 Ni-Si粒子的个数对模具磨损的影响同样,所以若第2 Ni-Si粒子的个数较少则会促进粘附磨损,若个数较多则会促进刮痕磨损。
需说明的是,第2 Ni-Si粒子的个数的增减处于随着第1 Ni-Si粒子的个数的增减而改变的倾向。
将Cu-Ni-Si系铜合金的轧制平行截面进行研磨,在蚀刻后使用FE-SEM(场发射型扫描电子显微镜),根据1500~5000倍左右的倍率的图像测定第1~第2 Ni-Si粒子的粒径和个数。使用粒子分析软件和EDS(能量分散型X射线分析)来测定上述图像中的成分,将由与基质(母材)成分不同的成分构成的粒子视为第1~第3 Ni-Si粒子。测定各粒子的各自的粒径,使用图像处理软件(例如,美国国立卫生研究所公开的ImageJ)来计数个数。在此,将外切(外接)于析出物的圆的直径作为各Ni-Si粒子的粒径。
Cu-Ni-Si系铜合金的屈服比YS/TS优选为0.9以上,加工硬化系数(n值)优选为0.05以下。
若屈服比YS/TS的值为0.9以上,则由于TS与YS之差较小,所以开始伸长时会立即断裂。即,若屈服比较高,则材料在压制中立即断裂,从而缩短模具与材料的接触时间,并提高耐模具磨损性。
另外,加工硬化系数(n值)为与材料的均匀伸长率具有相关的值。该值越小,在压制材料时,至冲切为止所需的塑性变形区域越变小。即,若n值为0.05以下,则由于缩短模具与材料的接触时间,所以提高耐模具磨损性。
需说明的是,加工硬化系数(n值)如下求得。
在拉伸试验中,若将试验片拉伸而施加负荷,则在超过弹性限度而达到最高负荷点为止的塑性变形区域中,试验片各部分一样地伸长(均匀伸长率)。在发生该均匀伸长率的塑性变形区域中,在真应力σt与真应变εt之间式1:
的关系成立,将其称为n乘方硬化定律。将“n”设为加工硬化系数(须藤一:材料试验法、Uchida Otsuru Shodo Shrine、(1976)、34页)。n采用0≤n≤1的值,n越大则加工硬化的程度越大,受到局部变形的部分在加工硬化时变形转移到其他部分,不易产生颈缩。因此,n值较大的材料显示一样的伸长率。
屈服比和n值分别与精轧加工度相关,通过控制后述的精轧的轧制加工度,可以调整屈服比和n值。
在精轧的轧制加工度不足10%的情形下,屈服比变得小于0.9,n值变得大于0.05。在精轧的轧制加工度为10%以上且不足15%的情形下,通过加工硬化,YS的值増加,而使屈服比为0.9以上,因此优选。另一方面,n值仍大于0.05。
在精轧的轧制加工度为15%以上且30%以下的情形下,屈服比为0.9以上,均匀伸长率降低,而使n值为0.05以下,成为最适合的条件。
在精轧的轧制加工度超过30%且40%以下的范围中,与TS比较,由于YS的强度在早期饱和,所以使屈服比为不足0.9,n值为0.05以下。即使轧制加工度超过40%也为同样的倾向,但屈服比变得更小,而使模具磨损性恶化。
[0.2%耐力]
Cu-Ni-Si系铜合金的轧制平行方向的0.2%耐力例如为700MPa以上。若使0.2%耐力为700MPa以上,则强度提高。
需说明的是,拉伸强度按照JIS-Z2241进行拉伸试验而求得。拉伸试验的条件设为试验片宽度12.7mm、室温(15~35℃)、拉伸速度5mm/min、标距长度50mm。
[伸长率]
Cu-Ni-Si系铜合金的轧制平行方向的伸长率例如为13%以下。对伸长率的下限没有特别限制,例如为1%。
另外,伸长率为断裂伸长率,通过拉伸试验机,按照JIS-Z2241,在测定上述的拉伸强度的同时进行了测定。而且,将试验片断裂时的标点间的长度L(标距长度)与试验前的标点距离L0之差以%求得。
拉伸试验的条件是以试验片宽度12.7mm、室温(15~35℃)、拉伸速度5mm/分钟、标距长度L=50mm,沿着铜箔的轧制方向进行拉伸试验。
[导电率]
Cu-Ni-Si系铜合金的导电率(%IACS)例如为30以上。
<制造方法>
本发明的Cu-Ni-Si系铜合金通常可以将铸锭以热轧、冷轧、固溶处理、时效处理、精轧、应变消除退火的顺序进行而制造。固溶处理前的冷轧或重结晶退火并非必须,可根据需要进行实施。
<热轧>
在此,设定热轧,使热轧后且冷轧前的材料中的直径1.0μm以上3.5μm以下的第3 Ni-Si粒子为23.5×103~8.5×103个/mm2的范围内。这是由于,若想要通过调整固溶和时效处理的条件来控制μm级的Ni-Si粒子,则必须进行过时效等,会损及强度等的特性。
控制直径1.0μm以上且3.5μm以下的第3 Ni-Si粒子的个数对应于控制最终产品的第1的Ni-Si粒子的个数。
若第3 Ni-Si粒子为不足3.5×103个/mm2,则第1 Ni-Si粒子为不足0.04×103个/mm2,会促进粘附磨损。若第3 Ni-Si粒子为超过8.5×103个/mm2,则第1 Ni-Si粒子为1.4×103个/mm2以上,会促进刮痕磨损。
作为用于规范第3 Ni-Si粒子的直径和个数的热轧的条件,例如可以在热轧温度800~1000℃、保持时间1~5小时的范围进行调整。
[实施例1]
在大气溶解炉中将电解铜溶解,根据需要,投入规定量的表1所示的添加元素,搅拌熔融金属。之后,在铸造温度1200℃下将熔融金属排出到铸型中,获得表1所示组成的铜合金铸锭。将铸锭进行热轧,制成板厚为10mm。之后,依次进行表面研磨、冷轧、固溶处理、时效处理、低温热处理、精轧,获得板厚0.05~0.4mm的试样。在最后冷轧之后以200℃~500℃的温度范围进行1秒~1000秒的应变消除退火。
需说明的是,热轧在1000℃下进行3小时,将固溶处理在700~900℃下进行。时效处理在400℃~550℃下进行1~15小时的范围,且在精轧后的拉伸强度达到最大的温度和时间下进行,精轧在加工率10~40%的范围进行实施。
<评价>
对于所得的试样,评价了以下的项目。
[导电率]
对于应变消除退火后的轧制平行方向的试样,依据JISH0505,通过使用Double Bridge装置的四端子法求出体积电阻率,再由体积电阻率算出导电率(%IACS)。
[拉伸强度]
对于应变消除退火后的试样,使拉伸方向平行于轧制方向,使用压制机,制作JIS13B号试验片。按照JIS-Z2241,进行该试验片的拉伸试验,测定拉伸强度TS。拉伸试验的条件以试验片宽度12.7mm、室温(15~35℃)、拉伸速度5mm/分钟、标距长度L=50mm,沿着铜箔的轧制方向进行拉伸试验。
[伸长率]
通过上述拉伸试验,求出断裂伸长率。试验片断裂时的标点间的长度L与试验前的标点距离L0之差以%求出,作为伸长率。
[刮痕磨损评价]
冲头划痕数:使用5mm方形冲头,对于将各试样的轧制平行方向作为纵向方向切出5×15mm的10片试样,分别通过目视计数1 shot(总计10 shot)冲切后的冲头侧面所附着的划痕数。如果冲头划痕数为20个以下,则模具的刮痕磨损少,模具磨损性优异。
[粘附磨损评价]
粘附磨损的判定使用Ball on disc式的摩擦磨损试验机来进行。试验在负荷1N、滑动距离125m下实施,球(对应材料)的材质为SUJ2。
在磨损试验前后利用激光显微镜测定球的滑动部分截面的轮廓(Profile),对于滑动部分的长度1μm以上的部位,与试验前相比,试验后的截面轮廓的高度变高的情况,判断为产生了粘附磨损。
[模具磨损性的评价]
模具磨损性不能仅通过上述的刮痕磨损评价、粘附磨损评价进行判断,也受到材料的机械特性的影响。为了综合性判断这些影响,使用Turret punch press机,对于切出200×300mm的5片试样,通过测定将各试样进行10万shot冲切后的冲头刀片的磨损量来评价模具磨损性。冲头刀片的磨损量以压制前为基准进行测定。
使用圆筒形的冲头,间隙(clearance)设为板厚的5%、压制速度设为290 shot/分钟、冲头的压痕深度设为板厚的50%。另外,使用具有不同硬度的冲头和模具,将冲头的硬度设定为模具硬度的60~80%的值。
冲头刀片的磨损量使用激光显微镜,如图1所示,将在压制前的冲头刀片的截面轮廓P1与压制后的冲头刀片的截面轮廓P2之间产生高低差的面积S1视为磨损的面积,算出该面积。图1的符号D表示压制方向。按照以下的标准评价模具磨损性。评价为○时,表示模具磨损性优异,评价为◎时,表示进一步优异。
◎:磨损面积为1000μm2以下
○:磨损面积为超过1000μm2且不足1500μm2
×:磨损面积为1500μm2以上
将所得的结果示于表1、表2。
[表1]
[表2]
由表1、表2可明确,在将第1 Ni-Si粒子~第2 Ni-Si粒子的个数规范至规定范围内的各实施例的情形下,模具磨损性优异。另外,精轧的加工度为15~30%者,模具磨损性更优异,屈服比YS/TS为0.9以上,加工硬化系数n值为0.05以下。这被认为是由于模具与材料的接触时间减少的缘故。
需说明的是,在精轧的加工度为10%以上且不足15%的实施例5、7、9的情形下,尽管屈服比为0.9以上,但n值大于0.05。另外,在精轧的加工度超过30%且40%以下的实施例2、3、10、11的情形下,尽管n值为0.05以下,但屈服比小于0.9。但是,这些实施例在实际应用上也没有问题。
另一方面,在第1 Ni-Si粒子超过1.4×103个/mm2、第2 Ni-Si粒子的个数为4.0×103个/mm2以上的比较例1~4和比较例6的情形下,冲头划痕数超过20个,促进了模具的刮痕磨损,且模具磨损性较差。
在第1 Ni-Si粒子不足0.04×103个/mm2、第2 Ni-Si粒子的个数不足第1 Ni-Si粒子的个数的比较例5的情形下,促进了粘附磨损,且模具磨损性较差。
Claims (3)
1. Cu-Ni-Si系铜合金,以质量%计,含有Ni:2.0~5.0%、Si:0.3~1.5%,Ni/Si比为1.3以上且6.7以下,且剩余部分由Cu和不可避杂质构成,0.2%耐力YS为700MPa以上,直径0.5~0.6μm的第1 Ni-Si粒子为0.04×103~1.4×103个/mm2,直径不足0.5μm的第2 Ni-Si粒子的个数为前述第1 Ni-Si粒子的个数以上且不足4.0×103个/mm2。
2.权利要求1所述的Cu-Ni-Si系铜合金,其中,屈服比YS/TS为0.9以上,加工硬化系数n值为0.05以下。
3.权利要求1所述的Cu-Ni-Si系铜合金,其进一步含有总量为0.005~1.0质量%的选自Mg、Mn、Sn、Zn和Cr的至少1种以上。
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