CN109429497A

CN109429497A - 弹簧用铜合金极细线及其制造方法

Info

Publication number: CN109429497A
Application number: CN201880001912.7A
Authority: CN
Inventors: 濑尾尚之; 秋月孝之; 丸山徹
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Current assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2038-05-15
Also published as: CN109429497B; TW201907019A; KR20200021441A; JP7145070B2; JPWO2018235458A1; KR102450302B1; WO2018235458A1; TWI746855B

Abstract

本发明提供一种具有优异的强度与较高的导电率的弹簧用铜合金极细线及其制造方法。本发明涉及一种弹簧用铜合金极细线，其线径为100μm以下，且以质量％计含有6.0％＜Ni＜15.0％、Sn＜6.0％、Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成，拉伸强度为1350MPa以上，导电率为4.0％IACS以上，Ni、Sn及Al的关系比率满足0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37。

Description

弹簧用铜合金极细线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧用铜合金极细线及其制造方法，例如涉及一种组入精密电子机器等中的具有导电性的弹簧用铜合金极细线及其制造方法。

背景技术

近年来，在各种小型精密电子机器等中多使用由极细线所构成的弹簧(例如相机模组的悬挂弹簧等)。对于此种弹簧不仅要求具有优异的强度，也要求具有较高的导电性。作为满足强度与导电性的两者要求的材料，公开有各种电阻较小的铜合金。

例如，在下述专利文献1中记载有一种高强度铜合金，其是含有Ni：3.0～29.5质量％、Al：0.5～7.0质量％、Si：0.1～1.5质量％且其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成的FCC结构的铜合金，在上述铜合金的母相中，FCC结构的γ'相以含有Si的Ni₃Al的L12结构析出，且导电率为8.5％IACS以上，维氏硬度为220Hv以上。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5743165号公报。

发明内容

发明所要解决的问题

在上述铜合金中，作为其化学成分之一的Si具有比Al容易与Ni结合的性质，有优先生成Ni₃Si化合物的倾向。又，Cu的熔点为1085℃，低于Ni₃Si的析出温度约1300℃。因此，上述铜合金的热处理需要在未达1085℃进行，如此则有无法进行Ni₃Si的固溶，而在母材中析出粒径较大的Ni₃Si化合物的倾向。在图2中表示了此种Cu-Ni-Si系合金中的Ni₃Si化合物的一实施例。若尝试将由此种铜合金所构成的线材通过拉线加工极细化至例如100μm以下左右，则存在因粒径较大的Ni₃Si化合物的存在而容易发生断线或破裂，从而良率降低的问题。

本发明的问题在于抑制拉线加工时的断线或破裂而良率良好地制造具有优异的强度及较高的导电率的弹簧用铜合金极细线。

解决问题的技术手段

本发明涉及一种弹簧用铜合金极细线，其线径为100μm以下，且以质量％计含有6.0％＜Ni＜15.0％、Sn＜6.0％、Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成，拉伸强度为1350MPa以上，导电率为4.0％IACS以上，Ni、Sn及Al的关系比率满足0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37。

在本发明的优选方面中，上述铜合金能以质量％计含有10.0％＜Ni＜14.0％、2.0％＜Sn＜5.9％、0.5％＜Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成。

在本发明的优选方面中，上述铜合金能以Ni、Sn及Al的关系比率满足0.24≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.31的方式构成。

在本发明的其他方面中，上述铜合金可进而含有B＜0.05％。

在本发明的其他方面中，上述铜合金可进而含有0.005％以上且0.1％以下的选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu的群中之一种以上的金属。

在本发明的其他方面中，上述铜合金可进而含有0.05％≤Mg≤0.2％。

在本发明的其他方面中，上述铜合金可进而含有0.05％≤Ti≤0.2％。

在本发明的其他方面中，上述铜合金可进而含有0.005％≤Ca≤0.1％。

又，本发明的弹簧用铜合金极细线的制造方法可包含如下步骤：准备铜合金的线材，该铜合金的线材以质量％计含有6.0％＜Ni＜15.0％、Sn＜6.0％、Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成，且Ni、Sn及Al的关系比率满足0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37；将上述线材在700℃以上且未达1085℃的温度以0.5分钟以上且120分钟以下的时间进行热处理；及在上述热处理后，以线材中所析出的Ni-Al系化合物的析出物的粒径为50nm以下的状态进行总加工率超过95％的冷拉线。

发明的效果

根据本发明，可抑制拉线加工时的断线或破裂而良率良好地制造具有优异的强度及较高的导电率的弹簧用铜合金极细线。

附图说明

图1是表示发明材料1的析出物状态的SEM照片。

图2是表示Cu-Ni-Si系合金中的Ni₃Si化合物的一实施例的SEM照片。

图3是说明自热处理至冷却为止的步骤的装置概略图。

图4是表示在比较材料15的各处产生孔的状态的SEM照片。

具体实施方式

以下，对本发明的优选实施方案进行说明，但在本说明书中需注意除特别指定的情况以外，各构成元素的含量的单位“％”意指“质量％”。

本发明的弹簧用铜合金极细线线径为100μm以下，且含有6.0％＜Ni＜15.0％、Sn＜6.0％、Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成，拉伸强度为1350MPa以上，导电率为4.0％IACS以上，并且Ni、Sn及Al的关系比率满足0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37。以下，对这些构成的详细内容进行说明。

线径100μm以下

本发明的弹簧用铜合金线例如在精密电子机器中例如作为悬挂弹簧或接点弹簧而组入，就此种要求而言，以线径为100μm以下的极细线的形式提供。线材的横截面除可为真圆状以外，也可为扁平状。在后者的情形时，只要长径为100μm以下即可。本发明的弹簧用铜合金线由于主成分为Cu，故而例如可通过使用孔模具的冷拉线加工而调整为100μm以下的所需线径。

在本发明中将各元素限制于上述分量的原因取决于下述内容。

6.0％＜Ni＜15.0％

Ni是为了与Sn或Al化合而提高铜合金材料的强度及弹簧特性而添加。因此，若Ni的含量为6.0％以下，则与Sn或Al的化合量也减少，无法获得充分的强度。就此种观点而言，Ni优选设为10.0％以上，进而优选设为11.0％以上。反之，若Ni成为15.0％以上，则以超过与Sn或Al键结的量的范围添加，虽然能够实现高强度化，但由于形成大量的化合物，故而韧性降低，伴随于此，而招致加工性及弹簧特性的降低或导电率的降低。就此种观点而言，Ni优选设为14.0％以下，进而优选设为13.0％以下。

Sn＜6.0％

本发明为了提高铜合金材料的强度及弹簧特性，而采用Sn代替现有专利文献1中所公开的Cu-Ni-Si系合金中所添加的Si。Ni-Sn系化合物的析出温度为700～800℃的范围，其低于Cu的熔点(1085℃)。因而，根据本发明的铜合金，可以高于Ni-Sn系化合物的析出温度的温度且低于Cu的熔点的温度进行热处理，因此可不使Cu熔解而将Ni-Sn的析出物固溶。

Sn与Ni化合而提高铜合金材料的强度及弹簧特性。由于铜合金中的Sn的扩散较迟缓，故而即便在合金中生成了Sn的化合物，其生长速度也较迟缓，而可维持过饱和地固溶的状态。因此，在本发明中，可通过基于Sn的过饱和固溶的固溶强化而提高铜合金的强度。此外，通过拉线加工，而使过饱和固溶的Sn以化合物的形式析出，拉线加工后的极细线的导电率提高。又，Sn的过饱和固溶具有使铜合金的加工硬化系数变大，增强拉线加工时的加工硬化的优点。进而，推测如下：Sn的原子半径为Cu的1.2倍以上，在Cu的基质与Ni-Al系金属间化合物的界面偏析，通过拖曳效应而抑制Ni-Al系化合物的生长，由此有助于Ni-Al系化合物的微细化。

另一方面，若Sn的含量变多，则有过量的Sn使晶界的强度降低，而在拉线加工时或锻造时发生材料破裂的忧虑。基于此种观点，Sn的含量需要设为未达6.0％，优选设为5.9％以下，更优选设为5.0％以下。再者，若Sn的含量较少，则有无法期待充分的强度提高的忧虑。基于此种观点，Sn的含量优选设为2.0％以上，进而优选设为3.0％以上，最优选设为4.0％以上。

Al＜1.2％

Al也是为与Ni化合而提高铜合金材料的强度及弹簧特性所必需的元素，但若Al的含量变多，则有如下的忧虑，即，因生成过量的Ni₃Al系化合物，而使合金硬度上升，甚至招致因韧性降低而导致的拉线加工时的断线。基于此种观点，Al的含量设为1.2％以下，更优选为设为1.1％以下。再者，若Al的含量较少，则有无法期待充分的强度提高的忧虑。就此种观点而言，Al的含量优选为0.5％以上，更优选设为1.0％以上。

0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37

为了提高铜合金的导电率及加工性，只要增大Cu的重量％即可。另一方面，在本发明的铜合金中，以化合物的形式析出Ni₃Al与Ni₃Sn₂，这些有助于强度提高。发明人等基于以上观点，为了满足作为弹簧用铜合金极细线所必需的强度及加工性，而规定了Sn及Al相对于Ni的适当的比率。并且，各种实验的结果表明，在规定上述相对于Ni的Sn及Al量的参数(2Sn+Al)/3Ni超过0.37的情形时，与Ni量相比Sn量或Al量相对变多，因此在锻造或拉线时发生破裂或断线，而良率降低。反之，也表明若规定上述相对于Ni的Sn及Al量的参数(2Sn+Al)/3Ni低于0.20，则Ni量相对地变得过多，而无法确保作为本发明的对象即弹簧材料所必需的强度。基于这些观点，参数(2Sn+Al)/3Ni较理想为0.24以上，又，较理想为0.31以下。

B＜0.05％

本发明的铜合金线可进而添加未达0.05％的B作为任意元素。

通过添加B元素，可使合金中的晶粒微细化，获得更高的强度。另一方面，若B的含量变多，则有在材料的各处产生孔(所谓的“穴”)的忧虑，因此B的含量更理想为未达0.05％、优选为0.02％以下。

选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu的群中之一种以上的金属为0.005％～0.1％

本发明的铜合金线可进而添加0.005％以上且0.1％以下的选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu的群(以下，称为“镧系元素”)中之一种以上的金属作为任意元素。通过添加镧系元素，而抑制铜合金在高温区域的晶界氧化，使热加工性提高。此处，若镧系元素的含量(以镧系元素的合计含量计，以下相同)未达0.005％，则无法充分地抑制铜合金在高温区域的晶界氧化。就此种观点而言，镧系元素的含量较理想为0.005％以上、优选为0.01％以上。另一方面，若镧系元素的含量变多，则不仅耗费多余的成本，并且有在铜合金的晶界过量地偏析而阻碍热加工性的忧虑，因此镧系元素的含量更理想为0.1％以下、优选为0.08％以下。再者，由于属于镧系元素的金属分别具有近似的化学性质，故而只要这些中的任一种或组合这些中的任两种以上获得上述含量，则可发挥上述作用。又，也可添加如稀土金属合金等以任意组合含有上述镧系元素的合金。

0.05％≤Mg≤0.2％

在本发明的铜合金线的其他方面中，可进而添加0.05％以上且0.2％以下的Mg作为任意元素。通过添加Mg元素，而使晶粒微细化，拉伸强度提高。此处，若Mg的含量未达0.05％，则无法获得充分的晶粒的微细化效果。就此种观点而言，Mg的含量较理想为0.05％以上、优选为0.1％以上。另一方面，若Mg的含量变多，则有因夹杂物的生成而导致拉线性受到阻碍的忧虑，因此Mg的含量更理想为0.2％以下、优选为0.15％以下。

0.05％≤Ti≤0.2％

在本发明的铜合金线的其他方面中，可进而添加0.05％以上且0.2％以下的Ti作为任意元素。通过添加Ti元素，而使Ti作为微细析出物析出，拉伸强度提高。此处，若Ti的含量未达0.05％，则无法获得充分的作为微细析出物析出的效果。就此种观点而言，Ti的含量较理想为0.05％以上、优选为0.1％以上。另一方面，若Ti的含量变多，则导电性降低，因此Ti的含量更理想为0.2％以下、优选为0.15％以下。

0.005％≤Ca≤0.1％

在本发明的铜合金线的其他方面中，可进而添加0.005％以上且0.1％以下的Ca作为任意元素。通过Ca元素的去氧作用，而使清洁度提高，加工性提高。此处，若Ca的含量未达0.005％，则无法获得充分的去氧作用效果。就此种观点而言，Ca的含量较理想为0.005％以上、优选为0.008％以上。另一方面，虽然Ca的添加本身较为困难，但若Ca的含量变多，则有在铸造时在材料的各处产生作为内部缺陷的孔(所谓的“穴”)的忧虑，因此Ca的含量更理想为0.1％以下、优选为0.012％以下。

不可避免的杂质

本发明是以如上所述的成分元素构成，且其余部分由不可避免的杂质与Cu所构成的铜合金线。作为不可避免的杂质，例如可列举O、Zn、Mn、Si、Fe、S等。尤其O会生成氧化物而使塑性加工性恶化并且使导电性降低，又，S及Fe也会形成有害的粗大夹杂物，因此较理想为以其等的合计成为0.20％以下的方式管理。又，各个杂质的含量设为0.10％以下左右。

拉伸强度

为了发挥充分的强度，本发明的弹簧用铜合金极细线将拉伸强度调整为1350MPa以上，更优选为调整为1400MPa以上。在本说明书中，极细线的拉伸强度是依据JIS-Z2241“金属材料拉伸试验方法”而测定。

导电率

本发明的弹簧用铜合金极细线将导电率设为4.0％IACS以上。由此，例如可优选地用作相机模组用悬挂弹簧、或其他各种导电性弹簧。本实施方案的弹簧用铜合金极细线由于线径非常小，为100μm以下，电阻也较小，故而作为其电特性只要具有4.0％IACS以上的导电率即足够。优选导电率设为6.0％IACS以上且8.5％IACS以下。在本说明书中，导电率是通过依据JIS-C3002“电气用铜线及铝线试验方法”的20℃的恒温槽中的四端子法(试样长度100mm)而测定。

铜合金极细线的制造方法

本发明的极细线是将具有上述化学成分的具有特定线径的铜合金线(母材线)在700℃以上且未达1085℃的温度以0.5分钟以上且120分钟以下的时间进行固溶化热处理。由此，可将线材中的Ni-Al系化合物及Ni-Sn系化合物固溶于Cu中。其次，在热处理后，以铜合金线中所析出的Ni-Al系化合物的粒径为50nm以下的状态进行总加工率超过95％的冷拉线加工。

在上述固溶化热处理的温度未达700℃的情形时，存在铸造时所生成的化合物未分解、未固溶而残留的问题，故而欠佳。反之，若上述固溶化热处理的温度超过1085℃，则作为母材元素的Cu熔解故而无法采用。又，若热处理时间未达0.5分钟，则无法进行充分的固溶化，反之，若超过120分钟，则存在时效析出的化合物的粗化变得明显，而加工性降低的不良情况。

在上述固溶化热处理之后，例如进行铜合金线的冷却。若热处理后的铜合金线直接在高温状态下与空气接触，则表面发生氧化，故而另外需要将表面的锈垢去除的处理步骤。在本实施方案中，为了无需这些步骤，而使用如图3所示的设备进行非氧化性环境的热处理(光亮退火)。该设备例如包含热处理部100、及冷却部200。热处理部100包含炉本体102、及贯通其中而延伸的SUS316等的不锈钢制管104。在管104的内部，通过填充氢气或氩气等气体，而设为非氧化环境。铜合金线300通过在炉本体102内的管104的内部向图中右侧移行，而防止线材表面的氧化并进行热处理。

管104的下游侧的一部分自炉本体102伸出。管104的伸出部分在冷却部200中被冷却。冷却部200包含供给经调温的冷却水的水槽202。在该水槽202中管104被冷却。由此，管104内的铜合金线300经由管104而被冷却(间接冷却)。适当调整管104的伸出长度或铜合金线的进给速度等，可将自管104露出的铜合金线的温度控制得低于氧化温度。如上所述的步骤抑制铜合金线的表面氧化，并且也有利于抑制Sn化合物的粒径在内部生长变大。

又，以铜合金线中所析出的Ni-Al系化合物的粒径为50nm以下的状态进行总加工率超过95％的冷拉线加工、更优选为98％以上的冷拉线加工。由此，在本实施方案中，可抑制由粒径较大的Ni-Al系化合物的析出物引起的拉线时的断线或破裂。此时，若加工率为95％以下，则存在通过加工硬化所获得的强度提高不够充分，而难以获得目标强度的不良情况。再者，在冷拉线加工时上述化合物的粒径是否为50nm以下可通过至少对即将进行冷拉线加工之前的线材的上述化合物的粒径进行检查而判别。其原因在于，自此以后，在冷拉线加工中粒径不会明显地生长(即，不会生长至对极细线区域内的冷拉线加工造成影响的程度)。

实施例

以下，说明本发明的更详细的实施例，但本发明并不限于以下实施例而解释。

使用连续铸造机将具有表1所示的化学成分组成的铜合金材料(发明材料1～11、比较材料12～15)分别以1250℃进行熔解，并进行连续铸造而制造直径9.5mm的铸棒(母材线)。发明材料1～5为Cu-Ni-Sn-Al材料，发明材料6及7为Cu-Ni-Sn-Al-B材料。发明材料8至11为在Cu-Ni-Sn-Al的基材中分别添加作为镧系元素的La+Ce、Mg、Ti及Ca而成。比较材料12与发明材料相比提高了Al的含量，比较材料13及14与发明材料相比提高了Sn的含量，比较材料15与发明材料相比提高了B的含量。

继而，对上述铸棒重复进行冷拉线加工与温度800～950℃的中间热处理，并同时细径化为线径0.5～2.0mm，进而在温度850～900℃×0.5～10.0分钟的条件进行热处理而制成软质基线，然后，使用连续拉线机对该软质基线分别进行加工率95％的冷拉线加工，由此获得最终完成线径50μm的硬质铜合金线。

关于发明材料1至11，确认到均未在拉线加工时产生断线或破裂，与比较材料12至15相比也具有良好的加工性。又，也确认到具备作为弹簧材料所要求的拉伸强度与导电率。在图1中表示发明材料1的SEM图像。再者，关于发明材料8，添加了La及Ce作为镧系元素，在添加作为镧系元素的其他金属的Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu的情形时，由于这些相互具有非常相似的化学性质，故而也可展现相同的效果。

另一方面，比较材料12由于Al的含量较多，即便在热处理后也硬度较大且韧性较低，故而在向极细线区域(100μm以下的线径)的拉线加工时发生断线。又，推测比较材料13由于Sn的含量较多，故而因过量的Sn的偏析而使晶界的强度降低，因此在锻造时及拉线加工时发生破裂。进而，关于比较材料14，发生了比较材料12及13的不良情况的两者。此外，确认到比较材料15如图4中所示在材料的各处产生孔。关于所述比较材料12至15，均未进行拉伸强度与导电率的测定。

Claims

1.一种弹簧用铜合金极细线，其线径为100μm以下，且

以质量％计含有6.0％＜Ni＜15.0％、Sn＜6.0％、Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成，

拉伸强度为1350MPa以上，

导电率为4.0％IACS以上，

Ni、Sn及Al的关系比率满足0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37。

2.根据权利要求1所述的弹簧用铜合金极细线，其以质量％计含有10.0％＜Ni＜14.0％、2.0％＜Sn＜5.9％、0.5％＜Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成。

3.根据权利要求2所述的弹簧用铜合金极细线，其中，Ni、Sn及Al的关系比率满足0.24≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.31。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的弹簧用铜合金极细线，其进而含有B＜0.05％。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的弹簧用铜合金极细线，其进而含有0.005％以上且0.1％以下的选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu的群中之一种以上的金属。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的弹簧用铜合金极细线，其进而含有0.05％≤Mg≤0.2％。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的弹簧用铜合金极细线，其进而含有0.05％≤Ti≤0.2％。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的弹簧用铜合金极细线，其进而含有0.005％≤Ca≤0.1％。

9.一种弹簧用铜合金极细线的制造方法，其包含如下步骤：

准备铜合金的线材，该铜合金的线材以质量％计含有6.0％＜Ni＜15.0％、Sn＜6.0％、Al＜1.2％，其余部分由Cu及不可避免的杂质所构成，且Ni、Sn及Al的关系比率满足0.20≤(2Sn+Al)/3Ni≤0.37；

将上述线材在700℃以上且未达1085℃的温度以0.5分钟以上且120分钟以下的时间进行热处理；及

在上述热处理后，以线材中所析出的Ni-Al系化合物的析出物的粒径为50nm以下的状态进行总加工率超过95％的冷拉线。