CN106011523A

CN106011523A - 铜合金板、以及具有其的冲压成型品

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Publication number: CN106011523A
Application number: CN201610185932.7A
Authority: CN
Inventors: 柿谷明宏
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: TWI607098B; KR101822740B1; JP2016191088A; TW201702394A; JP6085633B2; CN106011523B; KR20160117242A

Abstract

提供一种在Cu‑Sn合金的铜合金板中，能够有效抑制冲压加工后的毛刺的发生，并改善冲压冲裁性的铜合金板，以及具有其的冲压成型品。本发明的铜合金板，含有0.01～0.3质量％的Sn，余量由铜及不可避免的杂质构成，具有70％IACS以上的导电率，且由剪切实验中的位移‑载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7。

Description

铜合金板、以及具有其的冲压成型品

技术领域

本发明关于一种导电性优异的铜合金板，适用于通过冲裁(冲压加工中的一种)而形成给定形状的端子、连接器、继电器、开关、插座、母线、引线框架及其他电子元件等，及具有其的冲压成型品，特别是提出了可改善铜合金板的冲压冲裁性的技术。

背景技术

集成于电机和电子设备的端子、连接器、继电器、开关、插座、母线、引线框架等的电子元件，例如，可利用级进冲压模具，对朝向一个方向地间歇送入的长条状的铜合金板，通过顺次进行由冲头和凹模产生的冲压加工而形成了所需形状，作为冲压成型品而被制作。

其中，通过如上所述的冲压加工成型的冲压成型品，被冲头冲裁的冲压成型品的冲压断面是由位于冲压成型品的厚度方向的表面侧的剪切面、和位于背面侧的断裂面这两层构成的，这是公知的。

而且，由其中的剪切面占据了冲压断面的大部分的冲压成型品，易于发生剪切面向背面侧突出并形成毛刺。在作为电子元件而使用的冲压成型品中，产生毛刺时，集成于电机和电子设备的冲压成型品的毛刺导致短路的可能性变高，成为了故障发生的原因，特别地，在电子元件用途的冲压成型品中，为了抑制这种毛刺的产生，要求一种改善了冲压冲裁性能的铜合金板。

作为围绕这种电子元件用的铜合金板中冲压冲裁性的改善、凹模的耐磨性等的技术，如专利文献1～4中所记载的等。

专利文献1中记载了，用于电机和电子设备的Cu-Ni-Si系铜合金板材中，通过规定分散于铜合金板材的化合物的粒径以及其分散密度，特别是，以获得电镀性、冲压性、耐热性等特性的改善。专利文献2中公开了一种Cu-Co-Si系铜合金，其通过使具有促进冲压冲裁性提高的粒子径的析出物质存在于影响冲压冲裁性的表层，使具有促进强度提高的粒子径的析出物质存在于影响强度的中间部位，可在维持强度和导电率的同时，减轻凹模的磨耗。专利文献3中记载了一种铜合金，为了在维持高强度、高导电性及耐热性等的优异特性的同时，进一步控制由冲压引起的凹模磨损，添加给定量的Mg、Cr，特别地添加了给定量的具有抑制由冲压引起的凹模磨损的Pb。

专利文献4中记载了在Cu-Fe-P系铜合金板中，使由拉伸试验求得的均匀伸长率和总伸长率的比，即均匀伸长率/总伸长率小于0.50。而且，由此，冲压冲裁时的材料的延性变形量变小，在早期发生冲裁的断裂，提高冲压冲裁性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2008-95185号公报

专利文献2：特开2012-224922号公报

专利文献3：特开平8-13066号公报

专利文献4：特开2008-88499号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，上述技术中，目的是通过对析出物和夹杂物的大小、分布的控制，以及添加元素来改善冲压冲裁性，但并没有对由Cu-Sn合金构成的铜合金板的冲压冲裁性作任何讨论。由于Cu-Sn合金是固溶体合金，不存在上述现有技术中所关注的铜合金的这样析出物，而且特别是在无氧铜中添加了微量Sn的Cu-Sn合金中，由于无氧铜基体的溶解，夹杂物也少。

因此，通过上述技术，不能有效地改善Cu-Sn合金的铜合金板的冲压冲裁性。

此外，如专利文献4中，由于通过调整均匀伸长率和总伸长率的方法，可改变铜合金的特性，但不能满足毛刺等表面性质的其他的要求特性，因此，不能在维持所要求的特性的同时改善冲压冲裁性。

本发明，以解决上述现有技术所面临的这些问题为课题，其目的在于提供一种在作为固溶体合金的Cu-Sn合金的铜合金板中，能够有效抑制冲压加工后的毛刺的产生、并改善冲压冲裁性的铜合金板，以及具有其的冲压成型品。

解决技术问题的手段

为了在冲压成型品的冲压断面中，减少引起毛刺的产生的剪切面的比例并增加断裂面的比例，发明人对伴随着冲压加工时的冲头行程的增加，作用于铜合金板的载荷的变化进行了深入研究。

其结果是，获得了新的发现：制造铜合金板时，使最后退火时的结晶粒径变大，且通过最终退火后的精轧来控制工作辊径和板厚的比，进而增加加工度，能够有效地使在冲压加工时被冲头和凹模之间夹持时的铜合金板的厚度方向的伸长变小。

而且，发现了：由此制造的Cu-Sn合金，拉伸特性没有较大变化，剪切试验中得到的位移-载荷曲线的半峰宽与现有技术中的相比变小，冲压加工时铜合金板的冲压断面形成于早期阶段，因此，能够有效抑制毛刺的产生。

基于这样的发现，本发明的铜合金板含有0.01～0.3质量％的Sn，余量由铜及不可避免的杂质构成，具有70％IACS以上的导电率，且由剪切实验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7。

其中，本发明的铜合金板，优选导电率为75％IACS以上，平行于轧制方向的0.2％的屈服应力为450MPa以上，且垂直于轧制方向的0.2％的屈服应力/平行于轧制方向的0.2％的屈服应力为1.0以上。

其中，本发明的铜合金板，优选垂直于轧制方向的伸长与平行于轧制方向的伸长的比为0.8以上且1.2以下。

而且，本发明的铜合金板，进一步含有总量为0.1质量％以下的选自由P、Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、B以及Ca组成的群中的至少1种元素。

本发明的冲压成型品具有上述任一种的铜合金。

发明效果

根据本发明，通过由剪切实验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7的铜合金板，由于在冲压加工时被冲头和凹模之间夹持时的铜合金板的冲压断面在早期形成，形成了断裂面比例大的冲压断面，能够有效抑制毛刺的产生。因此，能够大力改善冲压冲裁性。

其结果是，该铜合金板非常适用于端子、连接器、继电器、开关、插座、母线、引线框架及其他的电子元件等。

附图说明

图1是示出对应于各阶段的铜合金板的状态的，随着铜合金板的冲压加工时冲头行程的增大，作用于铜合金板的载荷的变化的示意图。

图2是示出本发明的一个实施方式所涉及的铜合金板的位移-载荷曲线的一个例子与现有技术中的铜合金板的位移-载荷曲线的一个例子进行比较的曲线图。

图3是示出用于求出位移-载荷曲线的剪切试验的概略图。

图4是分别以100倍及200倍放大发明例1的断裂面的一部分的显微镜图像。

图5是分别以100倍及200倍放大比较例2的断裂面的一部分的显微镜图像。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行详细地说明。

本发明的一个实施方式所涉及的铜合金，是含有0.01～0.3质量％的Sn，余量由铜及不可避免的杂质构成的Cu-Sn合金，具有70％IACS以上的导电率，且由剪切实验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7。这样的铜合金板，适用于通过冲压加工而制造的电子元件。

(合金组分浓度)

Sn浓度为0.01～0.3质量％。如果Sn浓度超过0.3质量％，就难以得到70％IACS以上的导电率。如果Sn浓度小于0.01质量％，由剪切试验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.7以上，不能确认具有减少毛刺的效果。此外，如果Sn浓度小于0.01质量％，由于0.2％的屈服应力降低，则不能满足所要求的特性。从该观点考虑，Sn浓度优选为0.03～0.25质量％，特别优选0.08～0.25质量％。

本发明的Cu-Sn系合金中，除了Sn外，还可添加选自由P、Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、B以及Ca组成的群中的至少1种元素，但添加这些元素时，其添加量的总量优选0.1质量％以下。如果它们的总量超过0.1质量％，则导电率降低、原料成本增加、制造性变差。

(导电率)

本发明的铜合金板中，以JIS H0505标准测得的导电率为70％IACS以上。导电率为70％IACS以上的话，能够发挥用于给定电子元件时的所要求的导电性。导电率优选75％IACS以上，更优选80％IACS以上。

(0.2％屈服应力)

本发明中，平行于铜合金板的轧制方向(GW方向)的0.2％的屈服应力优选为450MPa以上，此时，铜合金板充分具有作为结构件的材料所必需的强度。平行于轧制方向的0.2％的屈服应力更优选为500MPa以上，特别地，进一步优选为520MPa以上。

另一方面，垂直于铜合金板的轧制方向(BW)的0.2％的屈服应力，优选为上述平行于轧制方向的0.2％的屈服应力以上。即，优选垂直于轧制方向的0.2％的屈服应力与平行于轧制方向的0.2％的屈服应力的比为1.0以上。这是因为可使冲压加工后的毛刺的长度变短、冲压性变好。垂直于轧制方向的0.2％的屈服应力/平行于轧制方向的0.2％的屈服应力的比，更优选为1.03以上，进一步优选为1.05以上。另一方面，如果垂直于轧制方向的0.2％的屈服应力/平行于轧制方向的0.2％的屈服应力的比过大，由于平行于轧制方向和垂直于轧制方向的冲压后的断面产生各向异性，导致冲压后的毛刺长度变长，因此该比可为1.2以下，优选1.15以下，更优选1.1以下。

此外，基于JIS Z2241标准测定0.2％的屈服应力。

(位移-载荷曲线的半峰宽)

本发明人，对在铜合金板的冲压加工时，从冲头与铜合金板的表面接触时到冲裁铜合金板之间的冲头行程，与作用于铜合金板的载荷的关系进行了深入研究，结果是，发现通过冲压加工得到的冲压成型品的冲压断面中，为了减少导致毛刺的产生的剪切断面的比例、同时增加断裂面的比例，而减小由剪切试验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽是有效的。

如下对其进行详细说明。冲压加工时，如图1的图表中所示意的，在冲头行程还小的加工初期阶段，冲头与凹模之间夹着的铜合金板，在分别与冲头和凹模接触的位置产生塌边。其后，随着冲头行程的增大，冲头与凹模之间夹着的铜合金板开始形成剪切面，冲头与凹模分别进一步咬入铜合金板，上述各塌边变成裂纹时迎来载荷的峰值，之后，随着载荷的减少，裂纹扩展并形成断裂面。

其中，冲压成型品的冲压断面中剪切面所占比例增大，是在从铜合金板的表面和背面形成塌边，到形成冲压断面的过程中，铜合金板不断裂地沿板厚度方向较大延伸，同时冲头切削铜合金板而引起的。

因此，为了使冲压加工时的铜合金板的厚度方向的伸长减小，在铜合金板形成塌边之后，快速地形成冲压断面，想到通过设置由剪切试验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽小的铜合金板，使得冲压成型品的冲压断面中剪切面所占的比例减少，断裂面所占的比例增加。

基于上述发现，本发明的实施方式的铜合金板，由剪切实验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7。

剪切试验中的位移-载荷曲线，例如，如图2所示的，随着位移的增大，载荷是在初期阶段增加的、经过峰值后下降的山形的曲线。本发明的实施方式的铜合金板中，半峰宽是指载荷峰值的1/2的载荷的位移宽度，小于相同板厚的现有的铜合金。

其结果是，对该实施方式的铜合金板进行冲压加工时，如图1所示的对应于冲头行程量的载荷的曲线，在铜合金板的表面及背面形成塌边且经过峰值后，载荷急剧下降，在早期形成冲压断面，能够有效抑制到冲压断面形成为止的期间由冲头切削铜合金板引起的剪切面比例增大。由此，由于在冲压断面减少剪切面的同时增大了断裂面，可有效抑制从冲压断面突出到表背面侧的毛刺的产生。

其中，为求出位移-载荷曲线的剪切试验如下进行：如图3所示，将厚度为0.1mm的铜合金板的试样夹在直径为9.98mm的圆柱形的冲头和设置了间隙为0.01mm的凹模之间，以0.1mm/min的速度使冲头朝向凹模位移，随着位移的增加，用设置于冲头侧的测力传感器适当测定载荷。

无需特别地设定半峰宽与板厚的比(r)的下限，但通常在形成塌边以及剪切断面的情况下设为0.2以上。另一方面，如果半峰宽与板厚的比(r)超过0.7，则由于不能充分减小冲压加工时板厚度方向的伸长，不能如期发挥抑制毛刺的产生的效果。

因此，半峰宽与板厚的比(r)的更优选的范围为0.25≤r＜0.7，进一步优选的范围为0.3≤r＜0.7。

(板厚)

铜合金板的厚度，即板厚具体可为0.05mm～2.0mm。由于如果在上述范围以外，提高了冲压的剪切面和毛刺的管理的难度，因此更优选板厚为0.06mm～1.5mm。但，板厚可根据铜合金板的用途等适当决定，不限于本发明所示出的数值范围。

(伸长)

平行于轧制方向的伸长与垂直于轧制方向的伸长的各向异性较小时，在任意方向实施冲压加工，均可抑制毛刺的产生，故而优选。因此，垂直于轧制方向的伸长与平行于轧制方向的伸长的比优选为0.8以上且1.2以下。垂直于轧制方向的伸长与平行于轧制方向的伸长的比更优选为0.8以上且1.15以下。垂直于轧制方向的伸长与平行于轧制方向的伸长的比进一步优选为0.8以上且1.1以下。基于JIS Z2241标准测定该伸长。

(毛刺高度)

对于上述剪切试验后得到的圆柱状的试验片，利用光学显微镜(倍率1000倍)及实体显微镜，360°地观察该试验片的冲压断面，将观察到的最长毛刺沿板厚度方向的长度作为毛刺高度。以1μm为单位测定毛刺高度，如果小于5μm则在性能上没有问题。优选小于3μm，进一步希望优选没有毛刺。

(制造方法)

以上所述的铜合金板，可通过如下例子所示的制造方法进行制造。

熔化作为纯铜原料的无氧铜等，添加Sn及所需的其他合金元素，铸造成厚度为30～300mm左右的铸锭。将该铸锭，例如通过800～1000℃的热轧形成厚度为3～30mm左右的板，之后，以所需的次数重复进行冷轧和再结晶退火，通过最终冷轧完成给定的制品厚度，最后进行去应力退火。去应力退火无需特意进行，其不对冲压性产生影响。

再结晶退火中，使轧制组织再结晶化。

特别地，其中，在最终冷轧前的再结晶退火(最终退火)中，将材料的平均结晶粒径调整为50μm以上。如果此时的平均结晶粒径过小，不能充分减小所制造的铜合金板的冲压加工时板厚方向的伸长。也就是说，难以使铜合金板的位移-载荷曲线的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7。因此，最终退火时的平均粒径优选50μm以上，特别地，进一步优选为60μm以上。

另一方面，如果最终退火时的平均粒径过大时，所制造的铜合金板的0.2％的屈服应力降低。因此，最终退火的平均结晶粒径优选为100μm以下，特别为95μm以下，进一步为85μm以下。

最终冷轧前的再结晶退火的条件是根据目标退火后的结晶粒径和目标制品的导电率而确定的。具体地，可使用批式炉或连续退火炉，使炉内温度为550～850℃，进行退火。也可以在批式炉中，在550～850℃的炉内温度下，在30分钟～30小时的范围内适当调整加热时间。也可以在连续退火炉中，在550～850℃的炉内温度下，在5秒～10分钟的范围内适当调整加热时间。

最终冷轧(精轧)中，使材料反复地通过一对轧辊之间，以达到目标的板厚。

这里，将通过轧辊之间的次数设为n道次，将各道次的加工度设置为相同的大小，从最初的道次到n/3道次以上，设置工作辊的直径与材料的板厚比为40以上是很重要的。通过这样的大直径的工作辊的压延，由于材料与工作辊的接触面积大，材料能够被大幅压缩，能够有效减小制造的铜合金板的位移-载荷曲线的半峰宽。其中，最终冷轧的总道次为3道次～25道次，优选5道次～15道次。

经过这些道次，最终冷轧的加工度Rf(％)由Rf＝(t₀－t)/t₀×100(t₀：最终冷轧前的板厚，t：最终冷轧后的板厚)得到。该最终冷轧的加工度Rf最好为60％以上。也就是说，当最终冷轧的加工度Rf小于60％时，铜合金的0.2％的屈服应力难以达到450MPa以上，存在不能充分满足所要求的特性的情况。

此外，与再结晶退火交替反复操作的全部冷轧的总加工度R(％)由R＝(T₀－T)/T₀×100(T₀：冷轧前的板厚，T：冷轧后的板厚)得到。该总加工度优选为90％以上，更优选为92％以上。总加工度R低的情况下，铜合金板的垂直于轧制方向的长度/平行于轧制方向的长度的比小于0.8。另一方面，冷轧的总加工度R的上限为99.5％以下。当大于99.5％时，铜合金板的垂直于轧制方向的长度/平行于轧制方向的长度的比为1.2以上。总加工度R可以为99.5％以下。

本发明的去应力退火利用连续退火炉或批式炉来进行。将任何一种的加热条件调整为炉内温度在300～600℃范围内、加热时间在5秒～10分钟范围内。不必特意进行去应力退火。

本发明的一个特征为，通过使由剪切实验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)在给定的范围内，以使冲压加工时铜合金板的厚度方向的伸长变小，从而使冲压断面在早期形成。因此，铜合金板的制造条件如下。

a.将最终退火时的平均结晶粒径调整为50μm以上。

b.在最终冷轧的初期道次中，使工作辊直径/材料的板厚为40以上。

如上所制造的铜合金板，可被加工成各种板厚的铜制品，例如，可用于由冲压加工形成的端子、连接器、继电器、开关、插座、母线、引线框架等的电子元件及其他冲压成型品中。

实施例

接着，试制本发明的铜合金板，并评价了其性能，如下进行说明。但，本说明仅用于示例，本发明不受其限定。

向铜溶液中添加合金元素后，铸造了厚度为200mm的铸锭。将该铸锭在800℃下加热3小时，在800℃下进行热轧形成厚度为16mm的板状。用内圆磨床磨削热轧板表面的氧化皮，去除后，反复进行退火和冷轧，通过最终冷轧得到了给定的制品厚度。最后利用连续退火炉进行了去应力退火。

最终冷轧前的退火(最终再结晶退火)为，利用批式炉，加热时间设为5小时，调整炉内温度在300～700℃的范围内，使退火后的结晶粒径和导电率发生了变化。在退火后的结晶粒径的测定中，镜面抛光垂直于轧制方向的断面后进行化学腐蚀，用截断法(JIS H0501(1999年))求得平均结晶粒径。

按照如表1所示的各发明例及比较例，调整冷轧的总加工度、最终冷轧(精轧)的加工度、道次以及工作辊的直径。

对在各条件下制造的铜合金板进行了如下测定。

(组分)

通过ICP-质量分析法分析了合金元素的浓度。

(剪切试验)

采取厚度为0.1mm的试样，将其以配置于直径为9.98mm的圆柱形的冲头，和设置间隙为0.01mm的凹模之间的状态，以0.1mm/min的速度使冲头朝向凹模位移，随着位移的增加，用设置于冲头侧的测力传感器测定载荷，由此从所求出的位移-载荷曲线算出半峰宽。

(毛刺高度)

利用光学显微镜(倍率1000倍)及实体显微镜，全面地观察剪切试验后得到的圆柱状的试验片的周围形成的冲压断面，测得了毛刺的高度。以1μm为单位测定了毛刺的高度。

(拉伸强度及0.2％屈服应力)

以JIS Z2241标准，分别沿平行于轧制方向的方向和垂直于轧制方向的方向采取试验片，通过进行各个方向的拉伸试验，求出了拉伸强度及0.2％屈服应力。

(伸长)

以JIS Z2241标准，分别沿平行于轧制方向的方向和垂直于轧制方向的方向采取试验片，标点间距离为50mm，测定了各个方向的伸长。

(导电率)

使试验片的长度方向为与轧制方向平行地从铜合金板采取试验片，基于JIS H0505标准，通过四端子法测定了20℃下的导电率。

发明例及比较例的各条件示于表1，且测得的结果示于表2。

[表1]

[表2]

从表1及表2中所示的可以发现，发明例1～23中最终退火时的平均结晶粒径都为50μm以上，而且，通过使工作辊直径/材料的板厚为40以上，从制造的铜合金板的位移-载荷曲线求出的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7，同时毛刺高度为5以下，由此得到了冲压冲裁性良好的制品。此外，发明例1～23中，铜合金板的导电率为70％IACS以上，因此满足了应用于电子元件的情况等所要求的导电性。

对此，在比较例1中，通过使Sn的添加量变为0.007质量％之少，铜合金板的半峰宽与板厚的比(r)变大，毛刺高度也变高了。

比较例2、5中，降低最终退火温度，最终退火时的平均结晶粒径变小，但结果铜合金板的半峰宽与板厚的比(r)变大，虽然并不像比较例1中那么高，但毛刺高度也变高了。

比较例3、6中，最终冷轧的初期的道次，由于工作辊直径/材料的板厚变小，铜合金板的半峰宽与板厚的比(r)变大，毛刺高度也变高了。

比较例4中，通过减少精轧中增大了工作辊直径的初期的道次数，由于材料不能被大直径的工作辊充分轧制，因此铜合金板的半峰宽与板厚的比(r)变大，毛刺高度也变高了。

此外，比较例7中，虽然铜合金板的半峰宽与板厚的比(r)在给定的范围内，但由于P的添加量变多而导致导电率变小。

因此，通过本发明的铜合金板，能够有效抑制毛刺的产生，并能够改善冲压冲裁性。

Claims

1.一种铜合金板，其特征在于，

含有0.01～0.3质量％的Sn，余量由铜及不可避免的杂质构成，

具有70％IACS以上的导电率，且由剪切实验中的位移-载荷曲线求得的半峰宽与板厚的比(r)为0.2≤r≤0.7。

2.如权利要求1所述的铜合金板，其特征在于，

导电率为75％IACS以上，平行于轧制方向的0.2％的屈服应力为450MPa以上，且垂直于轧制方向的0.2％的屈服应力/平行于轧制方向的0.2％的屈服应力为1.0以上。

3.如权利要求1所述的铜合金板，其特征在于，

垂直于轧制方向的伸长与平行于轧制方向的伸长的比为0.8以上且1.2以下。

4.如权利要求1所述的铜合金板，其特征在于，

含有总量为0.1质量％以下的选自由P、Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、B以及Ca组成的群中的至少1种元素。

5.一种冲压成型品，其特征在于，

具有权利要求1至4的任一项所述的铜合金板。