JP2021066899A - チタン銅板、プレス加工品およびプレス加工品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態に係るチタン銅板は、Tiを2.0〜5.0質量%含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなるものであって、圧延平行方向(RD)及び圧延直角方向(TD)のばね限界値がそれぞれ150〜400MPaであり、圧延平行方向の0.2%耐力が700〜900MPaであるチタン銅板であり、プレス加工後に熱処理を行うことにより材料の強度を向上させるノンミルハードン材である。以下、各構成について好適な態様を説明する。
溶体化処理によりCuマトリックス中へTiを固溶させ、時効処理により微細な析出物を合金中に分散させることにより、強度を上昇させる観点から、Ti含有量は2.0〜5.0質量%とする。特に、Ti含有量は、チタン銅板の熱処理後に十分な強度を得るという観点から、好ましくは2.5質量%以上であり、より好ましくは2.7質量%以上である。Ti含有量は、熱間圧延において材料の破断を抑制し、曲げ加工性を良好なものとするために好ましくは4.5質量%以下であり、より好ましくは3.5質量%以下である。
チタン銅板は、プレス加工後のスプリングバックを小さくし、プレス加工後の熱処理後の強度を有意に向上させる目的で、所望により、銅及びチタン以外に、所定の第3元素を含有させることができる。好適な実施の態様においては、第3元素としてFe、Co、Al、Mg、Si、Ni、Cr、Zr、Mo、V、Nb、Mn、B、及びPからなる群から選択された1種以上を合計0.5質量%以下含有させてもよい。ただし、これらの元素の合計含有量は0、つまり、これら元素を含まなくてもよい。第3元素は、例えば、0.01〜0.5質量%、好ましくは0.01〜0.45質量%、さらに好ましくは0.05〜0.3質量%の範囲で含有させて、使用することができる。第3元素の添加によって、チタン銅の時効硬化を改善することができるが、第3元素を添加しないチタン銅もまた、本発明の優れた効果を奏するものとなっている。
製品の厚み、つまり板厚(t)は0.02〜1.5mmであることが好ましい。特に板厚に制限はないが、板厚が大きすぎると、曲げ加工が困難になる。
本発明の実施の形態に係るチタン銅板は、プレス加工等の曲げ加工後に熱処理を行って強度を向上させるタイプのノンミルハードン材であり、熱処理後に0.2%耐力が向上する銅合金板である。ばね材として用いられることを考慮すると、本発明の実施の形態に係るチタン銅板の圧延平行方向の0.2%耐力の下限値としては、700MPa以上であることが好ましく、750MPa以上がより好ましく、775MPa以上が更に好ましい。一方、チタン銅板の圧延平行方向の0.2%耐力が高すぎるとプレス加工後のスプリングバックが大きくなり、曲げ加工性が悪化する場合がある。曲げ加工性の維持およびプレス加工後のスプリングバックをより効果的に小さくするためには、チタン銅板の上限値としては、900MPa以下が好ましく、875MPa以下がより好ましく、850MPa以下が更に好ましい。
プレス加工後のスプリングバックを小さくするためは、ばね限界値が低いほど好ましく、特に下限は制限されない。典型的には、圧延平行方向及び圧延直角方向のばね限界値をいずれも150MPa以上とする。一方、スプリングバックを小さくするためには、圧延平行方向及び圧延直角方向のばね限界値の上限値としていずれも400MPa以下が好ましく、375MPa以下がより好ましく、350MPa以下が更に好ましい。特に、本実施形態に係る銅合金板に熱処理等の時効または回復処理を行わずとも、0.2%耐力が高いほど圧延直角方向のばね限界値は高くなるため、制御が重要である。なお、ばね限界値の測定方法は、JIS H3130(2012)に規定されているモーメント式試験を実施する。
本発明の実施の形態に係るチタン銅は、圧延面における{220}結晶面のX線回折強度ピークの最大強度(cps)の半価幅(°)に対する比(以下、「{220}面のアスペクト比」ともいう。)が15×102〜25×102である。
・ターゲット:Cu管球
・管電圧:25kV
・管電流:20mA
・走査速度:5°/min
・サンプリング幅:0.02°
・測定範囲(2θ):60°〜90°
導電率は、3〜8%IACSであることが好ましい。導電率は、プレス加工後の熱処理で強度を向上させるためのTiの固溶を間接的に測定する指標であり、導電率が低いほど固溶量が多くなるため、熱処理後の強度は高くなる。下限値として好ましくは3%IACS以上であり、より好ましくは3.5%IACS以上であり、さらに好ましくは4.0%IACS以上である。また、導電率は、熱処理後の0.2%耐力の確保という観点から、好ましくは8%IACS以下であり、より上限値として好ましくは7%IACS以下であり、さらに好ましくは6%IACS以下である。 なお、導電率は、JIS H0505に準拠して測定する。
本発明の実施の形態に係るチタン銅板は、JIS H3130(2012)に準拠した最小曲げ半径(MBR)と厚さ(t)の比(MBR/t)が3.0以下であり、より好ましくは1.0%以下であり、さらに好ましくは0.5%以下である。本発明の実施の形態に係るチタン銅板によれば、曲げ加工性が良好なチタン銅板が得られる。
チタン銅板の一般的な製造プロセスでは、まず溶解炉で電気銅、Ti等の原料を溶解し、所望の組成の溶湯を得る。そして、この溶湯をインゴットに鋳造する。チタンの酸化損耗を防止するため、溶解及び鋳造は真空中又は不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。その後、熱間圧延、冷間圧延、溶体化処理の順で所望の厚みおよび特性を有する板に仕上げる。溶体化処理後には、熱処理時に生成した表面酸化膜を除去するために、表面の酸洗や研磨等を行ってもよい。また、高強度化のために、溶体化処理後に冷間圧延を行ってもよい。その後、プレスメーカーにてプレスおよび熱処理を行い、所望の特性および形状を得る。
溶解及び鋳造によるインゴットの製造は、基本的に真空中又は不活性ガス雰囲気中で行う。溶解において添加元素の溶け残りがあると、強度の向上に対して有効に作用しない。よって、溶け残りをなくすため、FeやCr等の高融点の第3元素は、添加してから十分に攪拌したうえで、一定時間保持する必要がある。一方、TiはCu中に比較的溶け易いので第3元素の溶解後に添加すればよい。従って、Cuに、第3元素としてFe、Co、Al、Mg、Si、Ni、Cr、Zr、Mo、V、Nb、Mn、B、及びPよりなる群から選択される1種又は2種以上を合計0.5質量%以下含有するように添加し、次いで第2元素としてTiを2.0〜5.0質量%含有するように添加してインゴットを製造することが望ましい。但し、第3元素の添加量は、0.05質量%以上が好ましい。なお、CuにTiと第3元素とを添加する順序は、特に限定されるものではない。
インゴット製造時に生じた凝固偏析や晶出物は粗大なので均質化焼鈍を行うことにより、できるだけ母相に固溶させて小さくし、可能な限り無くすことが望ましい。これは曲げ割れの防止に効果があるからである。具体的には、インゴット製造工程後には、材料温度を900〜970℃に加熱して3〜24時間均質化焼鈍を行った後に、熱間圧延を実施するのが好ましい。液体金属脆化を防止するために、熱間圧延前及び熱間圧延中は材料温度を960℃以下とするのが好ましい。
その後、冷間圧延と焼鈍を適宜繰り返してから、溶体化処理を行うのが好ましい。本発明においては、溶体化温度は750〜900℃であることが好ましい。上記溶体化温度は、再結晶が十分であり、Tiを母相中に固溶させるのに十分である。時効後の強度向上の観点から下限値として750℃以上が好ましく、775℃以上がより好ましく、790℃以上が更に好ましい。一方、溶体化温度が高いほど金属組織が粗大化し、0.2%耐力が700MPa未満となる上、曲げ性の悪化を招くため、上限値として900℃以下が好ましく、875℃以下がより好ましく、850℃以下が更に好ましい。このときの昇温速度は、極力速くすることが好ましい
溶体化処理後に温間による仕上圧延(以下、「温間圧延」ともいう。)を行う。好適な実施の態様において、温間圧延の加工度(圧下率)は、10〜50%であることが好ましい。上記加工度は、0.2%耐力を700MPa以上にするという観点から、下限値として10%以上が好ましく、15%以上がより好ましく、20%以上が更に好ましい。ただし、上記加工度は、0.2耐力を900MPa以下に調整しスプリングバックを小さくするために、上限値として50%以下が好ましく、45%以下がより好ましく、40%以下が更に好ましい。加工度RはR(%)=((圧延前の厚み−圧延後の厚み)/圧延前の厚み)×100で定義される。
冷間圧延後の材料にカール(垂下カール)をつけることもまた重要である。カールは冷間圧延時の材料に接触する上下のワークロールの大きさ(直径)を制御し、圧延平行方向における垂下カールを30mm〜70mmとする。垂下カールが30mm以上だと、その後のテンションレベラーによる形状矯正後に圧延平行および圧延直角方向のばね限界値が小さくなる。一方、垂下カールが70mm以上となると、導入される歪が大きくなり、圧延直角方向のばね限界値が高く、プレス後のスプリングバックが大きくなる。冷間圧延後の垂下カールは好ましくは30mm〜65mm、より好ましくは30〜60mm以下である。垂下カールを制御する方法として、上記以外にも上下のワークロールの速度を別々に制御する異周速圧延、冷間圧延時の1パス加工度を低くすることによるスキンパス圧延等によっても同様の効果が得られる。なお、通常、意図的に垂下カールをつけずに圧延を行った場合のカール量は10mm未満である。
仕上圧延で発生させた垂下カールに対し、テンションレベラーで形状矯正を行う。形状矯正によって圧延とは逆向きの歪が入り、バウシンガー効果が発生し、圧延直角方向のばね限界値が低くなる。形状矯正後の垂下カールは15mm以下にすることが好ましい。下限は0であるが、圧延直角方向のばね限界値を低くするために垂下カールの上限は15mm、好ましくは12.5mm以下、さらに好ましくは10mm以下である。通常、形状矯正の目的でテンションレベラーに材料を通板する際の材料の伸び率は0.1〜1.0%程度であるが、本製造方法では伸び率が1.5〜3.0%になるように高張力を付与して通板する。
上述の製造方法で製造されたチタン銅板を、プレスメーカーにてプレス加工および時効処理(熱処理)によって所望の特性および形状を得る。例えば、本発明の実施の形態に係るチタン銅板に、プレス加工および時効処理をこの順で実施する。プレス加工および時効処理は、典型的な条件で実施される。時効処理の温度は360〜420℃、時効処理時間は、0.5〜4時間とするのが好ましい。なお 、プレス加工品は、上述の製造方法で製造されたチタン銅板を備える。
各実施例および各比較例のチタン銅板を製造に際しては、活性金属であるTiが第2元素として添加されることから、溶製には真空溶解炉を用いた。また、本発明で規定した元素以外の不純物元素の混入による予想外の副作用が生じることを未然に防ぐため、原料は比較的純度の高いものを厳選して使用した。
各試験片について合金元素濃度をICP−質量分析法で分析した。その結果、添加した元素の組成比と実質的に同じであった。
JIS Z2241(2011)に従い、引張試験機を用いて圧延平行方向の0.2%耐力を測定した。
JIS H3130(2012)に準拠して、曲げ軸が圧延方向と同一方向であるBW(Badway)方向のW曲げ試験を行い、W字型の金型を用いて曲げ半径を変化させ、割れの発生しない最小曲げ半径(MBR)と厚さ(t)の比(MBR/t)を求めた。
試験片の長手方向が、圧延平行方向になるように試験片を採取し、JIS H0505に準拠し四端子法により20℃での導電率を測定した。
{220}面のアスペクト比は、X線回折装置(理学電機社製:型式rint Ultima2000)を用いて、上述した測定条件で求めた。
幅10mm、長さ100mmの短冊形状の試験片を、試験片の長手方向が、圧延平行方向および圧延直角方向になるように試験片を採取し、JIS H3130(2012)に規定されているモーメント式試験によりばね限界値を測定した。
曲げ割れが生じない範囲でW曲げ加工を行った後、曲げ加工部の実際の曲げ変形角度θを求めた。曲げ方向はGoodway(曲げ軸が圧延方向と直交する方向)およびBadway(曲げ軸が圧延方向と平行する方向)で板厚(t)0.15mmの場合は曲げ条件をR/t=3.3としたが、曲げ割れが生じない範囲であれば任意の曲げRをとることができる。
以上より、スプリングバック量を曲げ加工後の曲げ変形角度θよりスプリングバック量「θ−90」の絶対値を算出した。スプリングバック量が10°未満を「◎」とし、10〜15°を「○」とし、15°以上を「×」とした。なお、「◎」はプレス後の寸法安定性が優れ、「○」はプレス後の寸法安定性が良好、「×」はプレス後の寸法安定性が悪いと判断できる。またGoodwayおよびBadway共に◎の材料が最も寸法安定性が良好と判断できる。
形状矯正後の材料を窒素雰囲気のもと400℃で2時間加熱後に空冷し、JIS Z2241(2011)に従い、引張試験機を用いて圧延平行方向の0.2%耐力を測定した。熱処理後の0.2%耐力が850MPa未満を×、850〜950MPaを○、950MPa以上を◎とした。空冷時の冷却速度は(400℃から常温まで)おおむね10℃/秒であった。
Claims (8)
- プレス加工後に熱処理を行うノンミルハードン材であって、Tiを2.0〜5.0質量%含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなり、
圧延平行方向及び圧延直角方向のばね限界値が150〜400MPa、圧延平行方向の0.2%耐力が700〜900MPaであるチタン銅板。 - 圧延面における{220}結晶面のX線回折強度ピークの最大強度と半価幅の比が15×102〜25×102である請求項1に記載のチタン銅板。
- 導電率が3〜8%IACSである請求項1又は2に記載のチタン銅板。
- 第3元素としてFe、Co、Al、Mg、Si、Ni、Cr、Zr、Mo、V、Nb、Mn、B、及びPからなる群から選択された1種以上を合計0.5質量%以下で更に含有する請求項1〜3の何れか一項に記載のチタン銅板。
- 熱処理後の圧延平行方向の0.2%耐力が850MPa以上である請求項1〜4の何れか一項に記載のチタン銅板。
- JIS H3130(2012)に準拠した最小曲げ半径(MBR)と厚さ(t)の比(MBR/t)が3.0以下である請求項1〜5の何れか一項に記載のチタン銅板。
- 請求項1〜6の何れか一項に記載のチタン銅板を備えたプレス加工品。
- 請求項1〜6の何れか一項に記載のチタン銅板を、プレス加工及び熱処理をこの順に行うことを含むプレス加工品の製造方法。
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2019
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