CN1448525A - 压力加工性优良的铜合金材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种能够对应于高强度材料和低粘度冲压油的并且金属模磨损小的电子材料用铜合金。冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料特征在于，该铜合金材料是含有25质量％－40质量％的锌且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.07微米－0.13微米、最大高度(Ry)为1.3微米以下的并且氧化皮厚度为3nm－80nm且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上的存油性优良的表面粗糙度。

Description

压力加工性优良的铜合金材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及冲压金属模磨损小的铜合金材料及其制造方法，尤其是涉及在制造电子部件如端子和连接器等各种电子部件时的冲压加工中因具有存油性强的表面粗糙度而抑制了金属模磨损并提高了使用寿命的铜合金及其制造方法。
背景技术
通常，从机械强度、导电性和进而钎焊性和镀覆性等角度出发，铜合金被用于端子和连接器等电子部件。近年来，人们越来越多地用以磷青铜和黄铜等为代表的固溶强化型铜合金来代替时效硬化型铜合金，因此，材料倾向于向高强度化发展。
发明内容
不过，由于冲压加工的金属模的负荷随着高强度材料的使用而增大，所以，近年来，冲压所用的油也倾向于使用低粘度、易脱脂的油，由于金属模所受负荷更大，所以，人们希望延长金属模的使用寿命。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够与高强度材料和低粘度冲压油对应起来的且金属模磨损小的电子材料用铜合金。
申请人对如何应付上述问题进行了研究，结果发现这样的技术，即能够通过控制原材料表面在垂直于轧制的方向上的表面粗糙度、氧化皮的厚度及成分、原材料表面的表面张力来减小金属模的磨损。即，
(1)冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其中，该铜合金材料是含有25质量％-40质量％的锌且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.07微米-0.13微米且最大高度(Ry)为1.3微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
(2)冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其中，该铜合金材料是含有3质量％-11质量％的锡、0.03质量％-0.35质量％的磷且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.07微米-0.14微米且最大高度(Ry)为1.4微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
(3)冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其中，该铜合金材料是含有1.5质量％-4.0质量％的镍、0.30质量％-1.2质量％的硅且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.05微米-0.15微米且最大高度(Ry)为1.5微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
(4)冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其中，该铜合金材料是含有0.5质量％-5质量％的钛且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.10微米-0.18微米且最大高度(Ry)为2.0微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
在上述(1)-(4)的铜合金中，为了提高强度等，也可以按照总量0.001质量％-1.5质量％地添加Ag、Al、Co、Cr、Fe、In、Mg、Mn、Ni、P、Si、Sn、Ti、Zn、Zr等。
(5)如以上(1)-(4)之一所述的冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料的润湿张力(表面张力)为30mN/m以上。
(6)连接器用铜合金材料的制造方法，其中，在具有如(1)-(4)成分的连接器用铜合金材料中，通过机械表面处理方式获得如(1)-(4)所述的存油性优良的表面粗糙度。
(7)如(6)所述的制造方法，其中，通过表面研磨进行所述机械表面处理。
(8)如(7)所述的制造方法，其中，就在冲压加工前，进行所述机械表面研磨。
(9)如(6)所述的制造方法，其中，通过轧制进行所述机械表面处理。
在这里，“算术平均值(Ra)”是指，从粗糙度曲线上在其平均线方向上抽出标准长度，以该抽出部分的平均线方向为X轴并以纵向放大率方向为Y轴，当用Y＝f(X)表示粗糙度曲线时，通过(1)式求出的值(μm)就是该算术平均值。
(1)式 R a = 1 l ∫ 0 1 | f ( x ) | dx
(1：标准长度)
此外，最大高度(Ry)是指，从粗糙度曲线上在其平均线方向上抽出标准长度，在该粗糙度曲线的纵向放大率方向上测量该抽出部分的峰线与谷底线的距离，用微米表示的该值就是最大高度(Ry)。
具体实施形式
以下，说明限定理由。
(1)表面粗糙度
在冲压材料时，如果冲压油膜的介入不充分，则金属模磨损提前进行。为了抑制上述现象，在材料表面上形成一定的凹凸不平，冲压油进入凹面中，因而存油性提高。因此，有必要按照粗糙度参数确切地说是Ry和Ra来规定。如上所述地限定本发明的电子部件用材料的Ra的原因是，如果小于上述范围，则抑制金属模磨损的效果不明显，如果超过上述范围，则在研磨时产生金属粉末并且附着在材料表面上，这引起金属模磨损。如上所述地限定Ry的原因是，如果超过上述范围，则在冲压弯曲加工时，容易由材料凹凸引起地出现弯曲裂纹。
此外，根据品种来限定Ry和Ra的理由是，当粗糙度随着材料强度增大而提高时，抑制金属模磨损的效果加强，析出强化型合金(科森铜镍硅合金、钛铜系材料)与固溶强化型合金(黄铜、磷青铜系)相比，粗糙度被设定得更高，从而得到一样的效果。因此，对具有权利要求1的成分的材料来说，算术平均值(Ra)为0.07微米-0.13微米且最大高度(Ry)为1.3微米以下，对具有权利要求2的成分材料来说，算术平均值(Ra)为0.07微米-0.14微米且最大高度(Ry)为1.4微米，对具有权利要求3的成分的材料来说，算术平均值(Ra)为0.05微术-0.15微米且最大高度(Ry)为1.5微米以下，对具有权利要求4的成分材料来说，算术平均值(Ra)为0.10微米-0.18微米且最大高度(Ry)为2.0微米。
这些表面粗糙度可通过机械表面处理得到。一方面通过调整一个轧制道次的轧辊粗糙度，另一方面通过机械研磨轧制后的表面，能够获得上述表面粗糙度。
(2)氧化皮厚度、氧化皮成分
如果材料表面的氧化皮厚度不到3nm，则在冲压时，由于在接触金属模时氧化皮附着，容易出现金属模磨损，如果超过80nm，则冲压油润湿性恶化，金属模易磨损。如果氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物小于10原子％，则铜浓度增大，冲压油的润湿性恶化，易出现金属模磨损。材料表面的氧化皮后和成分的调整能够通过在制造材料时的退火工序的退火气愤来控制。而且如果有酸洗工序的话，则氧化皮厚度可以根据其条件(酸洗条件、水洗、烘干的条件)来控制。
(3)润湿张力
如果润湿张力不到30mN/m，则冲压油的润湿性恶化，容易出现金属模磨损。可以通过调节表面粗糙度、氧化皮厚度及成分来得到润湿张力，为此，必须在轧制工序、退火工序和酸洗工序中控制各条件。
【实施例】
以下通过实施例来更具体地说明本发明的效果。首先，以导电铜或无氧铜为原料，如果需要，也可以加入其它添加元素，当将它们按照预定量投入真空熔炼炉中后，在1250℃熔液温度下出料并获得了具有表1所示成分的锭。
表1
合金号 Zn Sn P Ni Si Mg Ti Cu和杂质
1 30.27 - - - - - - 余量
2 34.88 - - - - - - 余量
3 - 4.00 0.04 - - - - 余量
4 - 7.98 0.02 - - - - 余量
5 - - - 1.73 0.44 0.09 - 余量
6 - - - 2.60 0.71 0.19 - 余量
7 - - - - - - 2.90 余量
8 - - - - - - 3.15 余量
接着，这些锭通过进行950℃的热轧被加工成10毫米厚的板材。随后，表面的氧化层通过机械研磨被除去并通过冷轧得到5毫米厚板，随后，如果是固溶强化型铜合金，则进行第一次再结晶退火，如果是时效析出型铜合金，则进行固溶处理。随后，再次进行冷轧，在得到1.5毫米厚的中间板后，在这样的厚度下，进行第二次再结晶退火或固溶处理。调整退火气氛地制成氧化皮不同的产品。接着，通过最终冷轧制成0.15毫米厚的板，在是固溶强化型铜合金的情况下，按照其状态而用具有各种粗糙度的研磨剂和含碳化硅的抛光轮进行机械表面研磨，在是时效析出型铜合金的情况下，在成为最高的温度条件下并在氩气等非氧化性气氛下进行时效处理，随后，用具有各种粗糙度的研磨剂和含有碳化硅的抛光轮进行机械表面研磨。而且，除上述方式外，可以在大致一样的条件下进行第二次再结晶退火或固溶处理，随后，在最终轧制时，调节轧辊磨削时的磨轮的粒度，用具有各种粗糙度的轧辊进行轧制，在是时效析出型铜合金的情况下，在氩气等非氧化性气氛下进行时效处理，评价表面粗糙度不同的材料。
氧化皮测量如此进行，即利用GDS(辉光放电发光分光分析装置)，作为氧化相对厚度地求出氧在深度方向上的浓度分布从表面向下降低到2％的深度。
而且，氧化皮成分的测量如此进行，即利用GDS并根据除铜外的合金元素浓度总和与在氧深度截面中的在表面附近浓度变得最高的区域的合金元素浓度总和之比求出。
润湿张力测量按照JIS标准“塑性膜和板的张力实验法”的JISK6768：1999的规定执行。
接着，对如此得到的各种铜合金板进行冲压金属模磨损实验。这种实验如此评价与铜合金板冲压有关的磨损抑制效果，即作为金属模，使用可在市场上买到的具有0.16％的钴且余量为碳化钨的碳化钨型超硬合金模，用直径为3毫米的圆形冲头冲压70万次，根据冲压开始后的20个孔径的平均值和70万次冲压结束前的20个孔径的平均值，求出变化量并以之为金属模磨损量，具有对应于传统铜合金材料的成分的本发明例的磨损量为1，作为相对值示出了合金号与本发明相同的比较铜合金材料的磨损量。
(实施例1)
表2示出了与权利要求1所述合金系有关的发明例和比较例。在表2中，记载了退火时的氧浓度、机械研磨的抛光轮粒度、轧辊研磨时的磨轮的粒度。发明例1和5获得了出色的润湿张力并且具有抑制磨损的效果。在表面粗糙度通过机械研磨而得到调节的1号和通过轧辊粗糙度得到调整的5号中，看不到磨损量差异。因此，比较例的磨损量被表示为，在2号-4号比较例中是以1号的磨损量为1时的相对值，而在5号-8号比较例中是以5号的磨损量为1时的相对值。由于比较例2的氧化膜超过80纳米，比较例3的氧化膜不到3纳米，所以它们的金属模磨损量增大。此外，在4号比较例中，由于氧化皮的除铜外的浓度在10原子％以下，所以金属模磨损加重。在6号比较例中，由于Ra不到0.07微米，所以金属模磨损量增大，而在7号比较例中，由于Ra超过0.13微米，所以金属模磨损量增大。在8号比较例中，由于Ry超过1.3微米，所以金属模磨损量增大。
(实施例2)
表3示出了与权利要求2所述合金系有关的发明例和比较例。9号和13号是发明例，而10号(氧化皮厚度超过80nm)、11号(氧化皮厚度不到3nm)、12号(氧化皮的除铜外的浓度不到10原子％)、14号(Ra不到0.07微米)、15号(Ra大于0.14微米)和16号(Ry超过1.4微米)是比较例。
(实施例3)
表4示出了与权利要求3所述合金系有关的发明例和比较例。17号和21号是发明例，而18号(氧化皮厚度超过80nm)、19号(氧化皮厚度不到3nm)、20号(氧化皮的除铜外的浓度不到10原子％)、22号(Ra不到0.05微米)、23号(Ra大于0.15微米)和24号(Ry超过1.5微米)是比较例。
(实施例4)
表5示出了与权利要求4所述合金系有关的发明例和比较例。25号和29号是发明例，而26号(氧化皮厚度超过80nm)、27号(氧化皮厚度不到3nm)、28号(氧化皮的除铜外的浓度不到10原子％)、30号(Ra不到0.10微米)、31号(Ra大于0.18微米)和32号(Ry超过2.0微米)是比较例。发明效果
如上所述，本发明的铜合金材料能够显著抑制金属模磨损。因此，即便是在使用强度更高的材料的场合以及使用低粘度冲压油的场合下，本发明都能适应于电子部件等的加工。
             表2
 编号  合金号  表面粗糙度制造方法 退火气氛(O2％) 机械研磨(粒度) 轧辊(粒度) 氧化皮厚(nm) 氧化皮成分1)(原子％) 润湿张力(mN/m) 表面粗糙度(μm) 金属模磨损量(比值)2) 备注
 Ra  Ry
 1   1  机械研磨 0.02 #3000 -  21  15.2  34  0.12  1.2  1.00 发明例
 2   1  机械研磨 0.09 #3000  100  10.5  26  0.11  1.0  1.85 比较例
 3   1  机械研磨 0.01 #2400  2  11.0  31  0.08  1.3  1.58
 4   1  机械研磨 0.05 #3000  72  8.3  26  0.09  1.1  1.48
 5   2  轧制 0.03 - #400  33  10.3  36  0.10  1.1  1.00 发明例
 6   2  轧制 0.03 #500  62  12.4  36  0.05  0.8  1.82 比较例
 7   2  轧制 0.03 #240  54  13.2  28  0.15  1.2  1.66
 8   2  轧制 0.03 #320  60  11.5  31  0.11  1.4  1.42
权利要求范围  3-80  ≥10  ≥30  0.07-0.13  ≤1.3
1)除CuO以外的氧化皮成分；2)相对发明例磨损量的比值
                表3
编号 合金号 表面粗糙度制造方法 退火气氛(O2％) 机械研磨(粒度) 轧辊(粒度) 氧化皮厚(nm) 氧化皮成分1)(原子％)  润湿张力(mN/m) 表面粗糙度(μm) 金属模磨损量(比值)2) 备注
 Ra  Ry
9  3 机械研磨 0.02 #3000 -  56  10.7  36  0.11  1.0  1.00 发明例
10  3 机械研磨 0.07 #4000  87  10.9  28  0.08  1.1  1.57 比较例
11  3 机械研磨 0.01 #3000  2  12.6  30  0.09  1.1  1.50
12  3 机械研磨 0.04 #4000  57  8.3  31  0.07  1.0  1.46
13  4 轧制 0.02 - #400  18  12.6  32  0.09  1.0  1.00 发明例
14  4 轧制 0.02 #500  28  10.5  36  0.06  0.9  1.54 比较例
15  4 轧制 0.03 #320  45  11.6  27  0.15  0.7  1.60
16  4 轧制 0.03 #400  30  10.8  32  0.09  1.6  1.45
权利要求范围  3-80  ≥10  ≥30  0.07-0.14  ≤1.4
1)除CuO以外的氧化皮成分；2)相对发明例磨损量的比值
               表4
编号 合金号 表面粗糙度制造方法 退火气氛(O2％) 机械研磨(粒度) 轧辊(粒度) 氧化皮厚(nm) 氧化皮成分1)(原子％)  润湿张力(mN/m) 表面粗糙度(μm) 金属模磨损量(比值)2) 备注
 Ra  Ry
17  5 机械研磨 0.01 #3000 -  12  11.1  38  0.09  1.0  1.00 发明例
18  5 机械研磨 0.08 #4000  95  10.3  26  0.04  1.0  1.98 比较例
19  5 机械研磨 0.01 #4000  2  11.3  29  0.05  1.1  1.57
20  5 机械研磨 0.02 #3000  23  7.2  32  0.08  1.2  1.68
21  6 轧制 0.02 - #400  51  10.2  34  0.12  1.3  1.00 发明例
22  6 轧制 0.02 #500  56  9.9  36  0.04  0.9  1.67 比较例
23  6 轧制 0.02 #320  54  11.2  27  0.17  1.3  1.84
24  6 轧制 0.02 #240  40  12.2  30  0.13  1.7  1.45
权利要求范围  3-80  ≥10  ≥30  0.05-0.15  ≤1.5
1)除CuO以外的氧化皮成分；2)相对发明例磨损量的比值
                表5
编号 合金号 表面粗糙度制造方法 退火气氛(O2％) 机械研磨(粒度) 轧辊(粒度) 氧化皮厚(nm) 氧化皮成分1)(原子％)  润湿张力(mN/m) 表面粗糙度(μm) 金属模磨损量(比值)2) 备注
 Ra  Ry
25  7 机械研磨 0.02 #3000 -  23  10.8  34  0.15  1.8  1.00 发明例
26  7 机械研磨 0.07 #4000  84  10.4  28  0.10  1.2  1.72 比较例
27  7 机械研磨 0.01 #4000  2  10.2  29  0.10  1.5  1.44
28  7 机械研磨 0.04 #3000  72  6.4  27  0.15  1.5  1.54
29  8 轧制 0.02 - #400  66  10.1  36  0.14  2.0  1.00 发明例
30  8 轧制 0.02 #500  69  12.0  38  0.08  1.0  1.54 比较例
31  8 轧制 0.02 #240  45  10.8  32  0.22  1.5  1.54
32  8 轧制 0.02 #400  55  11.2  36  0.09  2.3  1.36
权利要求范围  3-80  ≥10  ≥30  0.10-0.18  ≤2.0
1)除CuO以外的氧化皮成分；2)相对发明例磨损量的比值

Claims (9)

1、冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其特征在于，该铜合金材料是含有25质量％-40质量％的锌且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.07微米-0.13微米且最大高度(Ry)为1.3微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
2、冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其特征在于，该铜合金材料是含有3质量％-11质量％的锡、0.03质量％-0.35质量％的磷且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.07微米-0.14微米且最大高度(Ry)为1.4微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
3、冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其特征在于，该铜合金材料是含有1.5质量％-4.0质量％的镍、0.30质量％-1.2质量％的硅且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.05微米-0.15微米且最大高度(Ry)为1.5微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
4、冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其特征在于，该铜合金材料是含有0.5质量％-5质量％的钛且余量为铜和不可避免的杂质的合金材料，并且它具有在垂直于轧制的方向上的算术平均值(Ra)为0.10微米-0.18微米且最大高度(Ry)为2.0微米以下的存油性优良的表面粗糙度，材料表面的氧化皮厚度为3nm-80nm并且氧化皮中的除铜外的合金元素的氧化物为10原子％以上。
5、如权利要求1-4之一所述的冲压金属模磨损小的连接器用铜合金材料，其特征在于，润湿张力(表面张力)为30mN/m以上。
6、连接器用铜合金材料的制造方法，其特征在于，在具有如权利要求1-4成分的连接器用铜合金材料中，通过机械表面处理方式获得如权利要求1-4所述的存油性优良的表面粗糙度。
7、如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，通过表面研磨进行所述机械表面处理。
8、如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，就在冲压加工前进行所述机械表面研磨。
9、如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，通过轧制进行所述机械表面处理。
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