JP2012007231A - Cu−Mg−P系銅合金条材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、Mg:0.3〜2%、P:0.001〜0.1%、残部がCuおよび不可避的不純物である組成を有する銅合金条材であり、後方散乱電子回折像システム付の走査型電子顕微鏡によるEBSD法にて、ステップサイズ0.5μmにて銅合金条材の表面の測定面積内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした場合の、結晶粒内の全ピクセル間の平均方位差が4°未満である結晶粒の面積割合が、測定面積の45〜55%であり、測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMが2.2〜3.0°であり、引張強さが641〜708N/mm2であり、ばね限界値が472〜503N/mm2であり、1×106回の繰り返し回数における両振り平面曲げ疲れ限度が300〜350N/mm2である。
【選択図】なし
Description
この様な状況の中で、これらの部品に使用される銅合金材料は、更なる薄肉化が要求され、部品としての各種の信頼性を保つ必要性から、より高強度でばね限界値とバランスが取れ、更に疲労特性の優れた材料が要求されている。
一方、機器の高機能化に伴う電極数の増加や通電電流の増加によって、発生するジュール熱も過大なものになっており、従来以上に導電率が高い材料への要求が強まっている。こうした高導電率材は、通電電流の増加が急速に進んでいる自動車向けの端子・コネクタ材料で強く求められている。
従来、こうした端子・コネクタ用の材料としては、一般的に黄銅やりん青銅が使用されていたが、上述した要求には十分応えられていない。黄銅は強度、ばね性および導電性が不足し、そのためコネクタの小型化および通電電流の増加に対応できず、また、りん青銅はより高い強度とより高いばね性を有するが、導電率が20%IACS程度と低いため、通電電流の増加に対応できず、耐マイグレーション性に劣るという欠点もある。マイグレーションとは電極間に結露などが生じた際、陽極側のCuがイオン化して陰極側に析出し、最終的に電極間の短絡に至る現象であり、自動車のように高湿環境で使用されるコネクタで問題となるとともに、小型化により電極間ピッチが狭くなっているコネクタでも注意を要する問題である。
しかし、電気・電子機器の高機能化がますます顕著になるに伴い、これら銅合金の性能向上が一層強く求められてきている。特に、コネクタ等に用いられる銅合金においては、使用状態においてヘタリを生じないで、いかに高い応力で使用できるか、更に、高温で振動のある環境下で良好な疲労特性を有することが重要になっており、引張強さとばね限界値と両振り平面曲げ疲労特性とが高レベルでバランスの取れたCu−Mg−P系銅合金条材に対する要求が強まっている。
また、上記の各特許文献では、銅合金組成及び表面結晶粒の形状を規定はしているものの、結晶粒の微細組織の解析に踏み込んでの引張強さとばね限界値特性と両振り平面曲げ疲労特性との関係については触れられていない。
このようにして抽出された画像から所望の条件の結晶粒子を検索してモデル化する部位を選択すれば自動処理が可能になる。また、結晶方位のデータは画像の各部位(実際にはピクセル)に対応付けされているので、選択した部位の画像に対応する結晶方位データをファイルから抽出することが出来る。
GAMは同一結晶粒内における隣接する測定点(ピクセル)間のミスオリエンテーションの平均値であり、隣接測定点の境界iにおける方位差を(1)式とすると、結晶粒内にピクセル間の境界がm個存在する場合、この結晶粒のGAM値は(2)式で表される。
即ち、結晶粒内の全ピクセル間の平均方位差が4°未満である結晶粒の面積割合が45〜55%であり、測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMが2.2〜3.0°であることにより、引張強さが641〜708N/mm2で、ばね限界値が472〜503N/mm2で、1×106回の繰り返し回数における両振り平面曲げ疲れ限度が300〜350N/mm2となり、引張強さとばね限界値と両振り平面曲げ疲労特性がハイレベルでバランスすることになる。
Zrの0.001〜0.03%添加は、引張強さ及びばね限界値の向上に寄与する。
本発明の銅合金条材は、質量%で、Mg:0.3〜2%、P:0.001〜0.1%、残部がCuおよび不可避的不純物である組成を有する。
Mgは、Cuの素地に固溶して導電性を損なうことなく、強度を向上させる。また、Pは、溶解鋳造時に脱酸作用があり、Mg成分と共存した状態で強度を向上させる。これらMg、Pは上記範囲で含有することにより、その特性を有効に発揮することができる。
また、質量%でZrを0.001〜0.03%含有するものとしてもよく、この範囲のZrの添加は引張強さ及びばね限界値の向上に有効である。
前処理として、圧延材から採取した10mm×10mmの試料を10%硫酸に10分間浸漬した後、水洗、エアブローにより散水した後に、散水後の試料を日立ハイテクノロジーズ社製フラットミリング(イオンミリング)装置で、加速電圧5kV、入射角5°、照射時間1時間にて表面処理を施した。
次に、TSL社製EBSDシステム付きの日立ハイテクノロジーズ社製走査型電子顕微鏡S−3400Nでその試料表面を観察した。観察条件は、加速電圧25kV、測定面積150μm×150μm(結晶粒を5000個以上含む)とした。
観察結果より、結晶粒内の全ピクセル間の平均方位差が4°未満である結晶粒の全測定面積に対する面積割合は次の条件にて求めた。
ステップサイズ0.5μmにて、測定面積範囲内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした。次に、結晶粒界で囲まれた個々の結晶粒について、結晶粒内の全ピクセル間の方位差の平均値(GOS:Grain Orientation Spread)を(4)式にて計算し、平均値が4°未満の結晶粒の面積を算出し、それを全測定面積で除して、全結晶粒に占める結晶粒内の平均方位差が4°未満の結晶粒の面積の割合を求めた。なお、2ピクセル以上が連結しているものを結晶粒とした。
nは結晶粒内のピクセル数を示す。
αijはピクセルiとjの方位差を示す。
前処理として、圧延材から採取した10mm×10mmの試料を10%硫酸に10分間浸漬した後、水洗、エアブローにより散水した後に、散水後の試料を日立ハイテクノロジーズ社製フラットミリング(イオンミリング)装置で、加速電圧5kV、入射角5°、照射時間1時間にて表面処理を施した。
次に、TSL社製EBSDシステム付きの日立ハイテクノロジーズ社製走査型電子顕微鏡S−3400Nでその試料表面を観察した。観察条件は、加速電圧25kV、測定面積150μm×150μm(結晶粒を5000個以上含む)とした。
観察結果より、前記測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMは、次の条件にて求めた。
ステップサイズ0.5μmにて、測定面積範囲内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした。
GAMは同一結晶粒内における隣接する測定点(ピクセル)間のミスオリエンテーションの平均値であり、隣接測定点の境界iにおける方位差を(1)式とすると、結晶粒内にピクセル間の境界がm個存在する場合、この結晶粒のGAM値は(2)式で表される。
「溶解・鋳造→熱間圧延→冷間圧延→溶体化処理→仕上げ冷間圧延→低温焼鈍」
なお、上記工程中には記載していないが、熱間圧延後には必要に応じて面削が行われ、各熱処理後には必要に応じて酸洗、研磨、あるいはさらに脱脂が行われても良い。
以下、主要な工程について詳述する。
銅合金組織を安定化させ、引張強さとばね限界値と両振り平面曲げ疲労特性をハイレベルでバランスを取るためには、溶体化処理後の銅合金板のビッカース硬さが80〜100Hvとなるように、熱間圧延、冷間圧延、溶体化処理の諸条件を適宜調整する必要がある。
なかでも、熱間圧延にて、圧延開始温度を700℃〜800℃とし、総圧延率を90%以上とし、1パス当りの平均圧延率が10%〜35%である熱間圧延を行うことが重要である。1パス当りの平均圧延率が10%未満では、後工程での加工性が悪くなり、35%を超えると、材料割れが発生し易くなる。総圧延率が90%未満では、添加元素が均一に分散せず、また、材料割れが発生し易くなる。圧延開始温度が700℃未満では、添加元素が均一に分散せず、また、材料割れが発生し易くなり、800℃を超えると、熱コストが増加して経済的に無駄となる。
仕上げ冷間圧延は、総圧延率50〜80%にて実施する。総圧延率が50%未満では、測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMが2.2°未満となり、80%を超えると、測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMが3.0°を超え、いずれも両振り平面曲げ疲労特性の低下をきたす。
仕上げ冷間圧延後に、250〜450℃、30〜180秒の低温焼鈍を実施することにより、更に、銅合金組織を安定化させ、引張り強さとばね限界値と両振り平面曲げ疲労特性とが高レベルでバランスし、後方散乱電子回折像システム付の走査型電子顕微鏡によるEBSD法にて、前記銅合金条材の表面の測定面積内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした場合の、結晶粒内の全ピクセル間の平均方位差が4°未満である結晶粒の面積割合が、前記測定面積の45〜55%であり、前記測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMが2.2〜3.0°となる。
低温焼鈍温度が250℃未満では、ばね限界値特性の向上が見られず、450℃を超えると、脆い粗大なMg化合物が形成されて引張強さの低下を来たす。同様に、低温焼鈍時間が30秒未満では、ばね限界値特性の向上が見られず、180秒を超えると、脆い粗大なMg化合物が形成されて引張強さの低下を来たす傾向が強くなる。
表1に示す組成の銅合金を、電気炉により還元性雰囲気下で溶解し、厚さが150mm、幅が500mm 、長さが3000mm の鋳塊を溶製した。この溶製した鋳塊を、表1に示す圧延開始温度、総圧延率、1パス当たりの平均圧延率にて熱間圧延を行い、厚さが7.5mm〜18mmの銅合金板とした。この銅合金板の両表面の酸化スケールをフライスで0.5mm除去した後、圧延率が85%〜95%の冷間圧延を施し、750℃にて溶体化処理を行い、
表1に示す仕上げ冷間圧延を行って0.2mmの冷間圧延条材を作製し、その後、表1に示す低温焼鈍を実施して、表1の実施例1〜10及び比較例1〜9に示すCu−Mg−P系銅合金条材を作製した。
また、表1に示す溶体化処理後の銅合金板のビッカース硬さは、JIS−Z2244に基づいて測定した。
(面積割合率)
前処理として、圧延材から採取した10mm×10mmの試料を10%硫酸に10分間浸漬した後、水洗、エアブローにより散水した後に、散水後の試料を日立ハイテクノロジーズ社製フラットミリング(イオンミリング)装置で、加速電圧5kV、入射角5°、照射時間1時間にて表面処理を施した。
次に、TSL社製EBSDシステム付の日立ハイテクノロジーズ社製走査型電子顕微鏡S−3400Nで試料表面を観察した。観察条件は、加速電圧25kV、測定面積150μm×150μm(結晶粒を5000個以上含む)とした。
観察結果より、結晶粒内の全ピクセル間の平均方位差が4°未満である結晶粒の全測定面積に対する面積割合は次の条件にて求めた。
ステップサイズ0.5μmにて、測定面積範囲内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした。次に、結晶粒界で囲まれた個々の結晶粒について、結晶粒内の全ピクセル間の方位差の平均値を前述の数1にて計算し、平均値が4°未満の結晶粒の面積を算出し、それを全測定面積で割って、全結晶粒に占める結晶粒内の平均方位差が4°未満の結晶粒の面積の割合を求めた。なお、2ピクセル以上が連結しているものを結晶粒とした。
この方法にて測定箇所を変更して5回測定を行い、それぞれの面積割合の平均値を面積割合とした。
前処理として、圧延材から採取した10mm×10mmの試料を10%硫酸に10分間浸漬した後、水洗、エアブローにより散水した後に、散水後の試料を日立ハイテクノロジーズ社製フラットミリング(イオンミリング)装置で、加速電圧5kV、入射角5°、照射時間1時間にて表面処理を施した。
次に、TSL社製EBSDシステム付きの日立ハイテクノロジーズ社製走査型電子顕微鏡S−3400Nでその試料表面を観察した。観察条件は、加速電圧25kV、測定面積150μm×150μm(結晶粒を5000個以上含む)とした。
観察結果より、同一結晶粒内の隣接するピクセル間の方位差の平均値は次のようにして求めた。
ステップサイズ0.5μmにて、測定面積範囲内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした。次に、結晶粒界で囲まれた個々の結晶粒について、結晶粒の面積平均GAMを前述の数3の式にて計算して求めた。なお、2ピクセル以上が連結しているものを結晶粒とした。
JIS5号試験片にて測定した。
(ばね限界値)
JIS−H3130に基づき、モーメント式試験により永久たわみ量を測定し、R.T.におけるKb0.1(永久たわみ量0.1mmに対応する固定端における表面最大応力値)を算出した。
(導電率)
JIS−H0505に基づいて測定した。
(疲労特性)
JISZ2273(1978)に準拠し、両振り平面曲げの疲労試験を行った。幅10mmの短冊形状の試料を、試料の長さ方向が圧延方向と一致するように採取し、試料表面に付加する最大応力(σ)を段階的に変え、その最大応力毎に試料が破断したときの繰り返し回数(Nf)を測定し、S−N線図を作成した。
このS−N線図より、1×106回の繰り返し回数で破断しない最大許容繰返し応力σ(A106)=疲れ限度を求めた。
その中でも、Zrを添加したものは、引張り強度とばね限界値が向上している。
例えば、「溶解・鋳造→熱間圧延→冷間圧延→溶体化処理→仕上げ冷間圧延→低温焼鈍」の順序での製造工程を示したが、熱間圧延、溶体化処理、仕上げ冷間圧延、低温焼鈍がこの順序でなされるものであればよく、その場合、熱間圧延の圧延開始温度、熱間圧延における総圧延率、1パス当りの平均圧延率、仕上げ冷間圧延における総圧延率、及び、低温焼鈍の温度、時間など以外の条件は、一般的な製造条件を適用すればよい。
Claims (3)
- 質量%で、Mg:0.3〜2%、P:0.001〜0.1%、残部がCuおよび不可避的不純物である組成を有する銅合金条材であり、後方散乱電子回折像システム付の走査型電子顕微鏡によるEBSD法にて、ステップサイズ0.5μmにて前記銅合金条材の表面の測定面積内の全ピクセルの方位を測定し、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなした場合の、結晶粒内の全ピクセル間の平均方位差が4°未満である結晶粒の面積割合が、前記測定面積の45〜55%であり、前記測定面積内に存在する結晶粒の面積平均GAMが2.2〜3.0°であり、引張強さが641〜708N/mm2であり、ばね限界値が472〜503N/mm2であり、1×106回の繰り返し回数における両振り平面曲げ疲れ限度が300〜350N/mm2であることを特徴とする銅合金条材。
- 質量%でZrを0.001〜0.03%含有することを特徴とする請求項1に記載の銅合金条材。
- 請求項1又は2に記載の銅合金条材の製造方法であって、熱間圧延、溶体化処理、仕上げ冷間圧延、低温焼鈍をこの順序で含む工程で銅合金を製造するに際して、熱間圧延開始温度が700℃〜800℃で、総熱間圧延率が90%以上であり、1パス当りの平均圧延率が10%〜35%として前記熱間圧延を行い、前記溶体化処理後の銅合金板のビッカース硬さを80〜100Hvに調整し、前記仕上げ冷間圧延における総圧延率を50〜80%にて行い、前記低温焼鈍を250〜450℃にて30〜180秒にて実施することを特徴とする銅合金条材の製造方法。
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