JP5261691B2 - プレス打ち抜き性に優れた銅基合金およびその製造方法 - Google Patents
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これらの部品は、金型を用いた高速のプレスにより打ち抜き加工されることが多く、プレス加工の際、材料は金型のパンチによりせん断変形を生じた後に、刃先からのクラック発生によって、破断変形を生じて所定の形状に打ち抜かれる。
しかし、プレスのショット数が増すにつれて、金型パンチの刃先摩耗が進み、その結果として、刃先からのクラック発生が不均一になり、破断形状が乱れて、具体的にはせん断帯と破断帯の差が大きくなったり、大きなバリが発生したり、破断により生じた材料の大きなカスが発生して、所定の製品形状を保てなくなる。
従来、金型寿命を向上させる対策として、パンチの材質の向上、プレス潤滑油による潤滑性の改善や、各々の銅基合金に適したクリアランスの設定等により対応してきたが、画期的な改善は実現できなかった。
本発明は、材料の結晶方位を制御することで、プレス打ち抜き性に優れた銅基合金およびその製造方法を提供するものである。
なお、ピン端子の強度は材料の0.2%耐力で代用でき、ピン端子の曲げ性はピン自体の板厚をtmm、ピン幅をWmmとしたときにW/t≦4の場合は一軸変形をすることから、引張試験で得られる伸びで代用できる。
また、0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜1.00質量%のZnを含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊、または、0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜0.50質量%のZnと、0.01〜0.10質量%のMgを含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊に対し、冷間圧延し次いで焼鈍することからなる組み合わせ工程を少なくとも1回以上行った後、次式(1)を満たす加工率Zで冷間圧延し
Z≧100−10X−Y (1)
[ただし、Zは冷間圧延加工率(%)、XはSnの含有量(質量%)、YはSn、Cu、不可避不純物以外の元素の含有量(質量%)の総量である。]場合によっては次いで再結晶温度未満の低温焼鈍を行うことを特徴とする、銅基合金の製造方法を提供する。
前記組み合わせ工程を行うに先立って、前記鋳塊に対し、予め、均質化焼鈍、熱間圧延のうちから選ばれる少なくとも一方を行うことができる。
本発明は、銅基合金について、特に材料表面に着目してX線回折を行い、得られる結晶方位のうち、特定の方位の強度を制御することでプレス打ち抜き加工性を向上させるものである。
今、板材表面をND面として、主な4種類の面、{110}面,{111}面,{311}面,{100}面に注目すると、プレスせん断変形に際してパンチの打ち抜き方向と一致する2個のすべり系を有する{110}面がプレス打ち抜き性の向上に最も効果があり、次いでパンチの打ち抜き方向とのなす角が比較的小さいすべり系を有する{111}面,{311}面、逆にパンチの打ち抜き方向に対して12個のすべり系のうち8個のすべり系のなす角が45°の{100}面が最もプレス打ち抜き性を劣化する。具体的には、パンチの刃先にかかる応力が大きく、刃先の摩耗が促進されること、破断変形時に発生する金属粉が多くなり、金型の間(パンチとダイの間)に付着することで刃先の摩耗を促進すること、この結果破断後の材料のバリ高さが大きくなる。
ここで、銅基合金のようにFCC(面心立方格子)の結晶構造を有する金属の場合、X線回折では{110}面、{111}面、{311}面、{100}面のX線回折強度(以下、回折強度という)は各々I{220}、I{111}、I{311}、I{200}として生じる。
SND=I{220}÷I{200}
なるパラメーターSNDを導入し、これを指標に組織制御することでプレス打ち抜き性の向上を成し得た。すなわちSND≧10のときは、プレスで打ち抜いた端子の形状は良好であった。
一方、SND<10のときは、プレスのショット数が増すと、刃先の摩耗が進み、打ち抜いた端子の形状が悪くなった。
SND=I{220}÷I{200}
を、それぞれ
SND=[I{220}+I{311}]÷I{200}
または、
SND=[I{220}+I{111}]÷I{200}
または、
SND=[I{220}+I{111}+I{311}]÷I{200}
で対応することが望ましい。
従って、本発明に係る銅基合金の成分組成範囲をSn、Ni、P、Zn、Si、Fe、Co、Mg、Ti、Cr、Zr、Alのうちから選ばれる少なくとも1種の元素を総量で0.01〜30wt%含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金と規定した。なお、本発明で規定した上記の元素以外にも、例えば、Ag、Au、Bi、In、Mn、La、Pb、Pd、Sb、Se、Te、Yの元素のうちから選ばれる少なくとも1種の元素を総量で2wt%以下であれば、本発明で規定した上記元素にさらに含有させるとプレス打ち抜き性を向上する役割を果たし、得られる効果を阻害しない。
次に、本発明で規定した主要添加元素について説明する。
Snはプレス打ち抜き性と強度、弾性を両立するために必須の元素である。
SnはCuマトリックス中に固溶することでプレス打ち抜き性を劣化する{200}面の集積度を大幅に低減でき、さらに加工熱処理との組み合わせで{220}面、{111}面、I{311}面の集積度を大幅に増やすことができ、その結果としてプレス打ち抜き性を向上できる。また同時に、強度、弾性をも向上できる。しかし、Sn含有量が0.01wt%未満ではその効果が充分に得られず、一方、Sn含有量が10wt%を超えると電気伝導性の低下が著しくなり、鋳造性や熱間加工性にも悪影響を及ぼす。また、Snは高価なために経済的にも不利になる。従って、Snの含有量は0.01〜10wt%とし、好ましくは0.3〜3.0wt%とする。
NiはCuマトリックス中に固溶して強度、弾性、はんだ付け性を向上させ、さらにP、または場合によってSiと化合物を形成して分散析出することにより電気伝導性を向上させ、強度と弾性を向上させる。また、耐熱性および耐応力緩和特性の向上にも寄与する元素である。しかし、Niの含有量が0.01wt%未満では上記のような効果が充分得られず、一方、4.0wt%を超えるとPまたは場合によってSiとの共存下でも電気伝導性の低下が著しく、また経済的にも不利になる。従って、Niの含有量は0.01〜4.0wt%、好ましくは0.40〜3.0wt%とする。
Pは、溶解・鋳造時に溶湯の脱酸剤として作用するとともに、Niまたは場合によってFeまたはMgまたはCoと化合物を形成して分散析出することにより電気伝導性を向上させ、さらに強度と弾性を向上させる。しかし、P含有量が0.01wt%未満では上記のような効果が充分得られず、一方、0.20wt%を超えるとNiまたは場合によってFeまたはMgまたはCoの共存下でも電気伝導性の低下が著しく、はんだ耐候性が著しく劣化する。また、熱間加工性にも悪影響を及ぼす。従って、Pの含有量は0.01〜0.20wt%、好ましくは0.02〜0.10wt%とする。
Znは、Cuマトリックス中に固溶して強度、弾性を向上させる効果があり、また、溶湯の脱酸効果を高めCuマトリックス中の溶質酸素元素を減少させる効果に加えてはんだ耐候性及び耐マイグレーション性を向上させる作用がある。しかし、0.01wt%未満では上記のような効果が得られず、一方、30wt%を超えると電気伝導性の低下するだけでなく、はんだ付け性が低下するとともに、他の元素と組み合わせても耐応力腐食割れ感受性が高くなり好ましくない。従って、Znの含有量は0.01〜30wt%、好ましくは0.01〜10wt%、さらに好ましくは0.03〜3.0wt%とする。
Siは、Niと共存した状態でCuマトリックス中に析出して化合物を形成して導電率を大幅に低下することなく強度、弾性を向上させる効果がある。Siが0.01wt%未満では上記のような効果が得られず、一方、1.0wt%を超えると熱間加工性が著しく低下する。従って、Siの含有量は0.01〜1.0wt%とする。
これらの元素は、Cuマトリックス中に固溶または析出して化合物を形成して強度、弾性、耐熱性を向上させ、さらにプレス打ち抜き性を向上させる効果がある。しかし0.01wt%未満では、上記のような効果が得られず、一方、3.0wt%を超えると電気伝導性の低下が著しく、また製造時の熱処理温度が高くなる等、経済的にも不利になる。従って、上記の少なくとも1種の元素の含有量を総量で0.01〜3.0wt%とする。
酸素を多量に含有するとFe、Mg、P等が酸化物を形成し、めっき信頼性を始めとした本発明に係る銅基合金の諸特性を劣化させる恐れがあるので、好ましくは酸素含有量を20ppm以下とする。
本発明の材料は、次のような工程を経て製造することができる。即ち、上記成分組成の銅基合金の鋳塊を冷間圧延と焼鈍を繰り返すことで所定の板厚にした後に、該元素の含有量に基づいて得られる所定値以上の加工率で、具体的には、(1)式を満たす冷間圧延加工率Z(%)の冷間圧延を行い、さらに再結晶温度未満の低温焼鈍を組み合わせて所望の板厚の材料とする。
冷間圧延加工率 Z(%)≧100−10X−Y (1)
X:Sn含有量(wt%)
Y:Sn以外の該元素の含有量(wt%)
従って、(1)式を満たす冷間圧延加工率Z(%)の冷間圧延と再結晶温度未満の低温焼鈍を組み合わせることが最も望ましい。この時の低温焼鈍条件は、銅基合金の再結晶温度より50℃〜250℃低い温度で30分〜2時間行うのが好ましく、例えば、温度250℃〜350℃、30分〜1時間であり、この条件以外でも材料に同等の熱量を与えられる温度と時間の組み合わせであれば特性の発現が可能である。
表1にその化学成分値(wt%)を示す銅基合金No.1〜4、No.6〜9、No.11〜16をAr雰囲気で溶解し、縦型の連続鋳造機を用いて20×80×1000(mm)の鋳塊を鋳造し、得られた鋳塊を900℃で1時間の均質化熱処理を実施した。しかる後にNo.1〜4、No.6〜9、No.11〜16の板材を板厚20mmから6.0mmまで熱間圧延し、圧延後水急冷および酸洗を行った。得られた板厚6.0mmの板材を冷間圧延によって、No.1、7、8は板厚2.5mmまで、No.2、3、16は板厚2.0mmまで、No.4、6、15は板厚1.0mmまで、No.9は板厚3.5mmまで、No.11は板厚0.6mmまで、No.12は板厚0.5mmまで、No.13は板厚0.3mmまで、No.14は板厚0.23mmまで、各々圧延した。
一方、銅基合金No.5、10、17、18をAr雰囲気で溶解し、横型の連続鋳造機を用いて10×80×1000(mm)の鋳塊を鋳造し、得られた鋳塊を800℃で1時間の均質化熱処理を実施した。しかる後に冷間圧延、焼鈍、冷間圧延を繰り返して、No.5は板厚0.6mmまで、No.10は板厚0.3mmまで、No.17は板厚0.25mmまで、No.18は板厚0.24mmまで各々圧延した。
上記のようにして得られたNo.1〜18までの板材について550℃×1時間の熱処理を実施した。なお、熱処理後の板材の結晶粒径は5〜20μmであり、板材表面(ND面)についてX線回折を行いSNDを測定した結果、0.5≦SND<2.0であったことを付け加えておく。
ここで、X線回折強度の測定条件は以下の通りである。
管球:Cu、管電圧:40kV、管電流:30mA、サンプリング幅:0.020°、モノクロメーター使用、試料ホルダー:Al
なお、X線回折測定条件は、上記条件に限定されるものでなく、試料の種類によって適宜変更される。
このようにして得られたNo.1〜18のサンプルについて、まずSNDを測定し評価した。ついで、導電率、0.2%耐力、180°曲げ性、プレス打ち抜き性を評価した。導電率、0.2%耐力は、それぞれ、JIS H 0505、JIS Z 2241に準拠して測定し評価した。また、曲げ性は、180°曲げ試験(JIS H3110に準拠)にて、ピン幅0.50mmの試験片を圧延方向に平行な方向で打ち抜き、得られた試験片について内曲げ半径Rと板厚tの比をR/tとして、曲げ部表面に割れが発生しない最小のR/tで評価した。プレス打ち抜き性は、ピン幅0.50mmの端子形状の連続プレス加工を実施し、五万ショット打ち抜き後の材料の最大バリ高さをSEM観察にて測定し評価した。
No.1〜10の合金は、SND≧10を満足し冷間圧延加工率Z(%)≧100−10X−Yを満足しており、プレス打ち抜き後のバリ高さは10μm以下であり、プレス打ち抜き性に優れた銅基合金材料である。さらに、導電率、0.2%耐力、曲げ性のバランスに優れていた。
一方、実施冷間圧延加工率が理想冷間圧延加工率(Z(%)≧100−10X−Y)より低い比較例No.11〜18は、SND<10でありプレス打ち抜き後のバリ高さが10μmを超えていた。また、バリ高さが10μmに比較的近かったNo.15〜18のうち、No.15、16は導電率と0.2%耐力のバランスに優れていたものの、曲げ性が劣化しており、No.17、18は0.2%耐力と曲げ性のバランスに優れていたものの、導電率が15%IACS以下と低かった。
実施例1の表1中に示す合金No.1(板厚0.20mm)と市販のりん青銅合金(C5191 質別H、板厚0.20mm:6.5wt%Sn,0.2wt%P,残部Cu)及び銅基合金(C7025 質別H、板厚0.20mm:3.2wt%Ni,0.70wt%Si,0.15wt%Mg,残部Cu)について、導電率、0.2%耐力、ばね限界値、ビッカース硬さ、プレス加工性及び曲げ加工性を評価した。
導電率、0.2%耐力、ばね限界値、ビッカース硬さの測定は、各々、JIS H 0505,JIS Z 2241,JIS H 3130,JIS Z 2244に準拠して行った。プレス加工性は、実施例1と類似の方法でピン幅0.50mmの端子を連続で打ち抜き、材料のバリ高さが25μmを越えた段階でプレス加工を止めて、ここまでのショット数を最大ショット数として評価した。なお、このときのプレスのパンチ材質は超鋼、ダイの材質はダイス鋼であり、パンチとダイのクリアランスは8μm、プレスの回転数は250rpmであった。曲げ加工性は、180°曲げ試験(JIS H 3110に準拠)にて、ピン幅0.50mmの試験片を打ち抜き、得られた試験片について内曲げ半径Rと板厚tの比をR/tとして、曲げ部表面に割れが発生しない最小のR/tで評価した。結果を表2に示す。
Claims (7)
- 0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜1.00質量%のZnを含有し、残部がCuと不可避不純物からなり、表面のX線回折強度比SNDがSND≧10である[ただし、SND=[I{220}+I{111}+I{311}]÷I{200}。I{220}は{220}のX線回折強度、I{111}は{111}のX線回折強度、I{311}は{311}のX線回折強度、I{200}は{200}のX線回折強度であって、I{111}とI{311}はI{220}の1/10を超えるとき。]ことを特徴とするプレス打ち抜き性に優れた銅基合金。
- 0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜0.50質量%のZnと、0.01〜0.10質量%のMgを含有し、残部がCuと不可避不純物からなり、表面のX線回折強度比SNDがSND≧10である[ただし、SND=[I{220}+I{111}+I{311}]÷I{200}。I{220}は{220}のX線回折強度、I{111}は{111}のX線回折強度、I{311}は{311}のX線回折強度、I{200}は{200}のX線回折強度であって、I{111}とI{311}はI{220}の1/10を超えるとき。]ことを特徴とするプレス打ち抜き性に優れた銅基合金。
- 0.50〜0.70質量%のSiと、0.30〜0.52質量%のSnと、2.00〜3.20質量%のNiと、0.50〜1.00質量%のZnを含有し、残部がCuと不可避不純物からなり、表面のX線回折強度比SNDが12〜20である[ただし、SND=[I{220}+I{111}+I{311}]÷I{200}。I{220}は{220}のX線回折強度、I{111}は{111}のX線回折強度、I{311}は{311}のX線回折強度、I{200}は{200}のX線回折強度であって、I{111}とI{311}はI{220}の1/10を超えるとき。]ことを特徴とするプレス打ち抜き性に優れた銅基合金。
- 0.50〜0.70質量%のSiと、0.30〜0.52質量%のSnと、2.00〜3.20質量%のNiと、0.50〜1.00質量%のZnと、0.01〜0.10質量%のMgを含有し、残部がCuと不可避不純物からなり、表面のX線回折強度比SNDが12〜20である[ただし、SND=[I{220}+I{111}+I{311}]÷I{200}。I{220}は{220}のX線回折強度、I{111}は{111}のX線回折強度、I{311}は{311}のX線回折強度、I{200}は{200}のX線回折強度であって、I{111}とI{311}はI{220}の1/10を超えるとき。]ことを特徴とするプレス打ち抜き性に優れた銅基合金。
- 0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜1.00質量%のZnを含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊、または、0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜0.50質量%のZnと、0.01〜0.10質量%のMgを含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊に対し、冷間圧延し次いで焼鈍することからなる組み合わせ工程を少なくとも1回以上行った後、次式(1)を満たす加工率Zで冷間圧延する
Z≧100−10X−Y (1)
[ただし、Zは冷間圧延加工率(%)、XはSnの含有量(質量%)、YはSn、Cu、不可避不純物以外の元素の含有量(質量%)の総量である。]ことを特徴とする、銅基合金の製造方法。 - 0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜1.00質量%のZnを含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊、または、0.5〜1.0質量%のSiと、0.3〜3.0質量%のSnと、0.4〜4.0質量%のNiと、0.03〜0.50質量%のZnと、0.01〜0.10質量%のMgを含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅基合金の鋳塊に対し、冷間圧延し次いで焼鈍することからなる組み合わせ工程を少なくとも1回以上行った後、次式(1)を満たす加工率Zで冷間圧延し
Z≧100−10X−Y (1)
[ただし、Zは冷間圧延加工率(%)、XはSnの含有量(質量%)、YはSn、Cu、不可避不純物以外の元素の含有量(質量%)の総量である。]次いで再結晶温度未満の低温焼鈍を行うことを特徴とする、銅基合金の製造方法。 - 前記組み合わせ工程を行うに先立って、前記鋳塊に対し、予め、均質化焼鈍、熱間圧延のうちから選ばれる少なくとも一方を行う、請求項5または6に記載の方法。
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