CN109504873B

CN109504873B - 模具磨损性优异的Cu-Ni-Si系铜合金

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Publication number: CN109504873B
Application number: CN201811050851.1A
Authority: CN
Inventors: 北川宽之
Original assignee: Jks Metal Co ltd
Current assignee: Jks Metal Co ltd
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: TW201920703A; JP6670277B2; CN109504873A; KR102121180B1; KR20190030603A; TWI676693B; JP2019052343A

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

模具磨损性优异的Cu-Ni-Si系铜合金

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σ_t与真应变ε_t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3Ni-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DoubleBridge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

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。