CN103380221A - Cu-Zr系铜合金板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Cu-Zr系铜合金板及其制造方法，该Cu-Zr系铜合金板保持充分的机械强度的同时，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡。本发明的Cu-Zr系铜合金板的特征在于，其铜合金以质量%计含有0.05～0.2%的Zr且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，该Cu-Zr系铜合金板通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值为1.5～1.8°，在W弯曲试验中，若将不产生破裂的最小弯曲半径设为R且将板厚设为t，则R/t为0.1～0.6，弹簧极限值为420～520N/mm2。

Description

Cu-Zr系铜合金板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种Cu-Zr系铜合金板及其制造方法，更详细而言，涉及一种弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡的电气电子组件用Cu-Zr系铜合金板及其制造方法。
本申请基于2011年2月18日在日本申请的日本专利申请2011-033097号主张优选权，将其内容援用于此。
背景技术
近年来，随着连接器、继电器、开关等电气/电子组件的进一步小型化，在组装于其内部的触点部件和滑动部件等中流动的电流密度变得越来越高，导电性比以往更良好的材料的要求也不断增高。尤其，在车载用电子组件中，要求在更高温及更强振动的环境下可靠地经得起长期使用，还期望优异的耐应力松弛性。
作为能够对应这种要求的材料，Cu-Zr系的合金能够具有超过80%IACS的高导电率，耐热性也良好，耐应力松弛性也优异，但在确保充分的强度的同时保持弯曲加工性是个课题，还要求优异的弹簧极限特性。
作为解决这些课题的Cu-Zr系铜合金，专利文献1中公开有以重量比例计以0.005%～0.5%的范围含有Zr且以0.2ppm～400ppm的范围含有B的、强度与伸长率以高水平均衡的铜合金，该铜合金具有多个扁平晶粒在晶面方向上连续而成的晶粒层沿板厚方向堆积而构成的层状组织，晶粒层的厚度在20nm～550nm的范围内，层状组织中的晶粒层的厚度在直方图中的峰值P在50nm～300nm的范围内且以总频数的22%以上的频度存在，其半宽度L为200nm以下。
专利文献2中公开有以重量比例计以0.005%～0.5%的范围含有Zr且以0.001%～0.3%的范围含有Co的、强度与伸长率以高水平均衡的铜合金，该铜合金具有多个扁平晶粒在晶面方向上连续而成的晶粒层沿板厚方向堆积而构成的层状组织，晶粒层的厚度在5nm～550nm的范围内，层状组织中的晶粒层的厚度在直方图中的峰值P在50nm～300nm的范围内且以总频数的28%以上的频度存在，其半宽度L为180nm以下。
专利文献3中公开有对含有0.01质量%以上0.5质量%以下的锆（Zr）且剩余部分由铜（Cu）及不可避免的杂质构成的铜合金进行轧制加工而成的、兼具机械强度与良好的弯曲加工性的电气/电子组件用铜合金材料，该电气/电子组件用铜合金材料的织构中，Brass取向的取向分布密度为20以下，且Brass取向、S取向与Copper取向的总计取向分布密度为10以上50以下。
专利文献1：日本特开2010-215935号公报
专利文献2：日本特开2010-222624号公报
专利文献3：日本特开2010-242177号公报
以往的电气电子组件用Cu-Zr系铜合金兼具充分的机械强度与良好的弯曲加工性（伸长性），但弹簧极限特性算不上充分。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种保持充分的机械强度的同时，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡的电气电子组件用Cu-Zr系铜合金板及其制造方法。
本发明人等进行深入研究的结果发现，在以质量%计含有0.05～0.2%的Zr且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成的铜合金中，若通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的相邻测定点之间的取向差即KAM（KernelAverage Misorientation）的平均值为1.5～1.8°，则弯曲加工性与弹簧极限值能够以高水平保持均衡。
并且，本发明人等对同一申请人的日本特开2010-215935号公报、日本特开2010-222624号公报的制造方法进一步进行研究发现，对于以预定成分熔解/铸造的Cu-Zr系铜合金母材，若以930～1030℃开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始通过基于水冷的骤冷处理实施固溶处理后实施冷轧，接着以320～460℃实施2～8小时的时效处理，接着以500～750℃实施10～40秒的热处理，从而使热处理后的表面的维氏硬度比时效处理后的表面的维氏硬度下降3～20Hv，则通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值成为1.5～1.8°，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡，而且还能够保持充分的机械强度。
即，本发明的铜合金板的特征在于，其铜合金以质量%计含有0.05～0.2%的Zr且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值为1.5～1.8°，在W弯曲试验中，若将不产生破裂的最小弯曲半径设为R且将板厚设为t，则R/t为0.1～0.6，弹簧极限值为420～520N/mm2。
KAM的平均值小于1.5°时，弹簧极限值下降，导致拉伸强度的下降，若平均值超过1.8°，则弯曲加工性下降，弹簧极限值也下降。
并且，本发明的铜合金板可以以质量%计含有0.2～400ppm的B或0.001%～0.3%的Co。
通过添加这些元素，具有结晶组织变得均匀、致密而稳定的效果，且赋予适当的伸长率（延展性）。各元素的添加量小于下限值时稳定效果不足，若超过上限值，则延展性显著提高而导致拉伸强度下降。
并且，本发明的铜合金板的制造方法的特征在于，对于本发明的铜合金母材，以930～1030℃开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始通过基于水冷的骤冷处理实施固溶处理后实施冷轧，接着以320～460℃实施2～8小时的时效处理，接着以500～750℃实施10～40秒的热处理，从而使所述热处理后的铜合金板的表面的维氏硬度比所述时效处理后的铜合金板的表面的维氏硬度下降3～20Hv。
对于本发明的铜合金母材，以930～1030℃开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始通过基于水冷的骤冷处理实施固溶处理，优选通过实施冷轧直至达到产品板厚来制造Zr以过饱和状态固溶且各晶粒层的厚度均匀的铜合金板。
对该冷轧后的铜合金板以320～460℃实施2～8小时的时效处理，通过时效处理使以过饱和状态固溶的Zr缓慢析出，制作将通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值控制在1.5～1.8°范围内的基体。
处理温度低于320℃时，会对拉伸强度产生不良影响，若超过460℃，则会对弯曲加工性产生不良影响。处理时间小于2小时时没有效果，若超过8小时，则会引起重结晶，因此不优选。
接着，对该时效处理后的铜合金板以500～750℃实施10～40秒的热处理，从而使热处理后的表面的维氏硬度比时效处理后的表面的维氏硬度下降3～20Hv，并将通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值控制在1.5～1.8°的范围内。
由此，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡，能够保持充分的机械强度。
处理温度低于500℃或处理时间小于10秒时，维氏硬度的下降小于3Hv，若处理温度超过750℃或处理时间超过40秒，则维氏硬度的下降超过20Hv。
并且，热处理后，为了使Zr以过饱和状态固溶并获得致密的结晶组织，也优选通过水冷进行骤冷。
本发明中提供一种保持充分的机械强度的同时，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡的电气电子组件用Cu-Zr系铜合金板及其制造方法。
具体实施方式
以下，对本发明的一实施方式进行说明。
[铜合金板的合金组成]
本发明的铜合金板具有以质量%计含有0.05～0.2%的Zr且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成的组成。
Zr（锆）为形成与铜的化合物而在母相中析出且具有提高其整体的材料强度并且提高耐热性的效果的合金元素。Zr的含量对所形成的析出粒子的量和大小产生影响，改变导电率与强度的均衡，通过上述范围内的含有浓度，可实现导电率与强度均以高水平均衡的良好特性。
若Zr的含量小于0.05质量%，则Cu-Zr的析出物不足，从而时效固化不充分，并且耐应力松弛性也难以获得充分的特性。若超过0.2质量%，则Cu-Zr析出物的形状易变得粗大，无法获得强度提高的效果，还成为弯曲加工性下降的重要原因。
并且，本发明的铜合金板也可以以质量%计含有0.2～400ppm的B或0.001%～0.3%的Co。
通过添加这些元素，具有结晶组织变得均匀、致密而稳定的效果，且赋予适当的伸长率（延展性）。各元素的添加量小于下限值时稳定效果不足，若超过上限值，则延展性显著提高而导致拉伸强度下降。
[铜合金板的合金组织]
本发明的Cu-Zr系铜合金板中，合金组成中的通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的相邻测定点之间的取向差即KAM（Kernel Average Misorientation）的平均值为1.5～1.8°，弯曲加工性（在后述的W弯曲试验中，将不产生破裂的最小弯曲半径设为R且将板厚设为t时的R/t）为0.1～0.6，弹簧极限值为420～520N/mm2，在保持充分的机械强度的同时，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡。
[基于EBSD法的KAM的测定]
如下实施基于EBSD法的KAM的测定。
对10mm×10mm的试料进行机械研磨、抛光后，通过Hitachi High-Technologies公司制离子铣削装置，设加速电压为6kV、入射角为10°、照射时间为15分钟来对表面进行调整，并使用Hitachi High-Technologies公司制SEM（型号“S-3400N”）和TSL公司制EBSD测定/分析系统OIM（Orientation Imaging Micrograph），将测定区域划分成六边形的区域（像素），对于划分的各区域，由入射于试料表面的电子射线的反射电子获得菊池图案，测定像素的取向。使用该系统的分析软件（软件名“OIM Analysis”）分析所测定的取向数据，计算出各种参数。观察条件如下：加速电压25kV，测定面积为300μm×300μm，相邻像素间的距离（步长）为0.5μm。将相邻像素间的取向差5°以上视作晶界。
对于KAM，计算存在于晶粒内的像素与在不超过晶界的范围内存在的相邻像素之间的取向差的平均值，将其作为构成整个测定面积的所有像素中的平均值来进行计算。
KAM的平均值小于1.5°时，弹簧极限值下降，导致拉伸强度下降，若平均值超过1.8°，则弯曲加工性下降，弹簧极限值也下降。
[铜合金板的制造方法]
本发明的铜合金板的制造方法为如下方法：对于本发明的合金组成、合金组织的铜合金母材，以930～1030℃开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始通过基于水冷的骤冷处理实施固溶处理后实施冷轧，接着以320～460℃实施2～8小时的时效处理，接着以500～750℃实施10～40秒的热处理，从而使热处理后的铜合金板的表面的维氏硬度比时效处理后的铜合金板的表面的维氏硬度下降3～20Hv。
对于本发明的铜合金母材，以930～1030℃开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始通过基于水冷的骤冷处理实施固溶处理，优选实施冷轧直至达到产品板厚，由此制造出Zr以过饱和状态固溶且各晶粒层的厚度均匀的铜合金板。
对该冷轧后的铜合金板以320～460℃实施2～8小时的时效处理，通过时效处理使以过饱和状态固溶的Zr缓慢析出，制作将通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值控制在1.5～1.8°范围内的基体。
处理温度低于320℃时，会对拉伸强度产生不良影响，若超过460℃，则会对弯曲加工性产生不良影响。处理时间小于2小时时没有效果，若超过8小时，则会引起重结晶，因此不优选。
接着，对该时效处理后的铜合金板以500～750℃实施10～40秒的热处理，从而使热处理后的表面的维氏硬度比时效处理后的表面的维氏硬度下降3～20Hv，将通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值控制在1.5～1.8°的范围内。
由此，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡，能够保持充分的机械强度。
处理温度低于500℃或处理时间小于10秒时，维氏硬度的下降小于3Hv，若处理温度超过750℃或处理时间超过40秒，则维氏硬度的下降超过20Hv。
并且，热处理后，为了使Zr以过饱和状态固溶并获得致密的结晶组织，也优选通过水冷进行骤冷。
实施例
对于表1所示的组成的通过熔解/铸造所获得的铜合金母材，以表1所示的温度开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始以40℃/秒的速度快速水冷来实施固溶处理，接着，实施面削、粗轧、研磨，以此来制作出预定厚度的铜合金板。
接着，对这些铜合金板以表1所示的轧制率实施冷轧，将板厚设为产品厚度即0.5mm，以表1所示的温度及时间实施时效处理及热处理，以50℃/秒的速度实施快速水冷，以此来制作出实施例1～10、比较例1～6所示的铜合金薄板。
测定各试料的时效处理后及热处理后的表面的维氏硬度、KAM。将其结果示于表1。
维氏硬度根据JIS-Z2244进行测定。
KAM的测定通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法如下实施。
对10mm×10mm的试料进行机械研磨、抛光后，通过Hitachi High-Technologies公司制离子铣削装置，设加速电压为6kV、入射角为10°、照射时间为15分钟来对表面进行调整，并使用Hitachi High-Technologies公司制SEM（型号“S-3400N”）和TSL公司制EBSD测定/分析系统OIM（Orientation Imaging Micrograph），将测定区域划分成六边形的区域（像素），对于划分的各区域，由入射于试料表面的电子射线的反射电子获得菊池图案，测定像素的取向。使用该系统的分析软件（软件名“OIM Analysis”）分析所测定的取向数据，计算出各种参数。观察条件如下：加速电压25kV，测定面积为300μm×300μm，相邻像素间的距离（步长）为0.5μm。将相邻像素间的取向差5°以上视作晶界。
对于KAM，计算存在于晶粒内的像素与在不超过晶界的范围内存在的相邻像素之间的取向差的平均值，将其作为构成整个测定面积的所有像素中的平均值来进行计算。
Figure BDA0000368442490000071
接着，对于各铜合金薄板测定拉伸强度、导电率、弯曲加工性及弹簧极限值。将它们的结果示于表2。
拉伸强度以JIS5号试样进行测定。
导电率根据JIS H0505进行测定。
关于弯曲加工性，根据JIS H3100来进行W弯曲试验。使弯曲轴沿轧制平行方向（Bad Way方向），测定在试料表面上不产生破裂的最小弯曲半径R（单位：mm），以与板厚t（单位：mm）的比例R/t的值进行评价。
关于弹簧极限值，根据JIS H3130，通过力矩式试验测定永久挠曲量，计算R.T.下的Kb0.1（与0.1mm的永久挠曲量对应的固定端上的表面最大应力值）。
[表2]
Figure BDA0000368442490000081
根据这些结果可知，本发明的Cu-Zr系铜合金板在保持充分的机械强度的同时，弯曲加工性与弹簧极限值以高水平维持均衡，尤其适合应用于电气电子组件。
以上，对本发明的实施方式的制造方法进行了说明，但本发明并不限定于该记载，在不脱离本发明宗旨的范围内能够施加各种变更。
产业上的可利用性
本发明的Cu-Zr系铜合金板能够应用于长时间暴露于高温及高振动的严酷的使用环境下的连接器等电气/电子组件。

Claims (3)

1.一种铜合金板，其特征在于，
该铜合金板的铜合金以质量%计含有0.05～0.2%的Zr且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，该铜合金板通过使用带电子背散射衍射图像系统的扫描型电子显微镜的EBSD法测定的KAM的平均值为1.5～1.8°，在W弯曲试验中，若将不产生破裂的最小弯曲半径设为R且将板厚设为t，则R/t为0.1～0.6，弹簧极限值为420～520N/mm2。
2.根据权利要求1所述的铜合金板，其特征在于，
该铜合金板以质量%计含有0.2～400ppm的B或0.001%～0.3%的Co。
3.一种铜合金板的制造方法，其为制造权利要求1或2所述的铜合金板的方法，其特征在于，
对于铜合金母材，以930～1030℃开始进行热轧，从600℃以上的温度区域开始通过基于水冷的骤冷处理实施固溶处理后，实施冷轧，接着以320～460℃实施2～8小时的时效处理，接着以500～750℃实施10～40秒的热处理，从而使所述热处理后的铜合金板的表面的维氏硬度比所述时效处理后的铜合金板的表面的维氏硬度下降3～20Hv。
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