JP4364056B2 - プレス加工性に優れたばね用複合材料 - Google Patents

Description

本発明は精密プレス加工材として使用されるプレス打抜き性に優れたステンレス鋼帯のばね用複合材料に関するものである。

ばね用金属材料の用途としては、電気機器のスイッチの接点、電子部品があり、従来、ベリリウム銅、リン青銅等が用いられてきた。一方、ステンレス鋼帯は、耐食性に優れ、曲げ加工性、打抜き性が良好であり、しかも廉価なステンレス鋼製薄板ばねや線状ばね材料として従来から多用されている。このような市況の中にあり、ばね用ステンレス鋼帯に対し、ばね特性に優れ、成形加工性が良好であり、より廉価に供給することが出来るよう要求されている現状にあり、その要求はますます厳しいものとなっている。

これらの用途に用いられているステンレス鋼の中にＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４に代表される準安定オーステナイト系ステンレス鋼がある。準安定オーステナイト系ステンレス鋼は冷間加工されることでオーステナイトの一部が加工誘起マルテンサイトに変態することで硬化し、高強度なばね用材料となる。

プレス加工することによって製造されるコネクタにも用いられる金属材料は近年、高強度化しており、プレス金型を著しく磨耗させる傾向にある。プレス金型が磨耗してくると、切断面にバリやだれが生じピン自体もねじれて加工形状が悪化してコネクタとして使用できなくなる。よって、プレス加工品の形状が許容限度を超えた場合は、プレス金型を研摩して加工品の寸法精度を維持しなければならない。また、コネクタが小さくなればなるほど、ピン幅とピン間隔が狭くなればなるほど高い寸法精度が要求されるので、即ち小さなバリやピンのねじれも見逃せなくなってくるので、金型を研摩する頻度が一層増えてしまう。従って、金型工具の磨耗を減少させ、長寿命化するようなプレス加工性の優れた金属材料に関する技術が求められてきた。

以下に金属材料としてステンレス鋼を用いた場合のプレス金型工具の長寿命化に関する技術を示す。
（１）特許文献１では、光輝焼鈍後の表面の硬質皮膜を除去することで金型工具を長寿命化する技術が開示されている。
（２）特許文献２では、化学組成、結晶粒径を調整することで、加工誘起マルテンサイトの発生量を抑え、さらにプレス後の打抜き破面に占めるせん断面の生成量を大きくし、金型工具の磨耗を抑えて長寿命化する技術が開示されている。

特開平１０−０５８０５４号公報 特開平１３−３２３３４２号公報

近年の電気電子部品等の低コスト化により、製造コストの低減の観点から、金型の長寿命化がより強く要求されるようになってきている。一方、金属材料についても、狭いピン幅で安定した接圧を得るために強度の高いものが求められ、過酷な曲げ加工に耐えうるため、その材料の特性を最大限に生かすことが求められている。

本発明の目的は、このような要求に対応すべく、本来ステンレス鋼母材の持つ性質を損なうことなく、金型工具の長寿命化を図るプレス加工性に優れたステンレス鋼帯のばね用複合材料を提供することである。

本発明者らはステンレス鋼帯のプレス加工における金型工具の磨耗の機構に関する研究を行った結果、ステンレス鋼の構成元素と酸素との親和性の関係から酸化物による金型磨耗の機構を解明し、ステンレス鋼帯表面に銅層を被覆すると表面に銅層を被覆しないものに比べて著しく金型寿命が伸びることを見出した。

即ち、本発明は、
（１）ステンレス鋼帯の厚みの１／１０以下かつ０．０１μｍ以上の銅層をその鋼帯表面に被覆し、銅層が０．１≦Ｓ≦１０ｐｐｍのＳを含有することを特徴とする、プレス加工性に優れたばね用複合材料、
（２）上記（１）に記載のコネクタ、あるいはスイッチなどの接点部品に使用されるプレス加工性に優れたばね用複合材料、
である。

本発明により、強度とばね性に優れるステンレス鋼帯を母材として用いることができる一方、そのような強度とばね性のある材料のプレス加工であるにもかかわらず、金型工具も長寿命化が図ることができる。

本発明に係る電子部品用ステンレス鋼帯を製造する基本工程は、溶解・鋳造、熱延の後冷間圧延、焼鈍を繰り返し、最終冷間圧延、最終焼鈍によって得られたステンレス鋼帯表面にＣｕメッキを施し、銅層を被覆するものである。
以下、本発明を詳しく説明する。
ステンレス鋼は、その合金成分として、Ｎｉ、Ｃｒを含有し、特許文献２に示されるように加工誘起マルテンサイトを制御する元素としてＮｉ、Ｃｒのほか、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ等が添加されることもある。これらの酸化物を形成し易い元素を含む金属材料は、以下図1を参照として説明するようにプレス加工性を悪化させる。すなわちこのような元素を含有するステンレス鋼帯の剪断加工において、金型工具が磨耗するのは、側面の先端である(図1参照)。ポンチ１がダイ２に噛みこむ時に材料３がポンチ１とダイ２の間隙に流れ込む状態が生じ、そのとき材料表面は酸化熱を発しながら硬い酸化物粒子が生成し、これとともにポンチ側面に高圧で接触するので、磨耗し易いのである。

本発明では、ステンレス鋼帯にメッキによる銅層を被覆したものをなにも被覆しないものと対比したところ、銅層を被覆したものが著しく金型寿命が伸びることを示した。またこれらはステンレス鋼帯の内質は変えずに薄い表面処理だけ行なっているので、電子部品の機械的性質等に及す表面処理の影響は極めて少ない。即ち材料強度が高いと金型工具が磨耗しがちに思えるが、簡単な表面処理のみで高強度材でもプレス加工性を良好にできた。

また、金型工具が磨耗する原因の一つは被加工材の表面が硬いためであり、金型工具が被加工材をせん断する場合に、被加工材の最表層が金型工具と同等、もしくは同等以上の硬さの場合には、特に著しく工具の磨耗が進む。これとは反対に、被加工材の最表層が金型工具よりも十分硬度が低い場合には、金型の磨耗を抑えることが可能である。

ばね性に優れた高強度ステンレス鋼帯を被加工材としたときに、表面に銅を被覆することによって、被加工材の最表層の硬度を低くすることが可能である。
また、銅層のＳ含有量を０．１≦Ｓ≦１０ｐｐｍとすることで、さらに金型工具の磨耗を抑えることができる。これは、銅中にＳが存在することで、Ｃｕ−Ｓが生成し、この化合物は、母相より脆いために、せん断変形時に母相に優先して亀裂の起点となることができる。このＳは０．１ｐｐｍ以上添加することにより、亀裂の開始時点の早期化を生じさせることができる。

基本的にはＳの含有量が多いほど良好であるが、１０ｐｐｍを超えて添加すると、銅層が脆くなるため、上記範囲が適当である。

（１）実施例１
板厚０．１５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．０８ｍｍの市販のＳＵＳ３０４−Ｈ−ＣＳＰを用いて、硫酸銅浴中で種々の厚さの銅めっきを施した。表１に銅めっきの厚さと銅めっき後の０．２％耐力を示す。なお、用いた材料の銅めっき前の０．２％耐力は９８１ＭＰａであった。

これらの板を図３に示すような金型を用いて１０万回プレス加工した後、プレス後の部品の破断面比率とバリの発生高さを測定した。ここで、バリ高さとは図２に示す突起部の高さであり、金型が磨耗するにしたがってバリが高くなってくる。また金型が磨耗するにしたがって、図２に示す剪断面の割合が多くなり、即ち破断面比率ｈ２／（ｈ１＋ｈ２）は小さくなる。その結果を表１に示す。

発明例Ｎｏ．１〜１０については、銅めっき後の０．２％耐力が９３２ＭＰａ以上で銅めっき後の耐力の低下率が５％未満であった。
また、１０万回プレス加工した後の破断面の比率が２０％以上であり、バリ高さ比率も２０％未満と加工性が良好であることを示している。即ち、金型の長寿命化が図れていることを意味する。

一方、比較例Ｎｏ．１１、１３、１４、１６はＣｕめっきが薄すぎるため、１０万回プレス加工した後の破断面の比率が悪く、バリ高さ比率も２０％以上となっており高い。比較例Ｎｏ．１２、１５、１７は１０万回プレス加工した後の破断面の比率が高く、バリ高さも低いため、金型の長寿命化は図れているが、Ｃｕめっき厚さがＳＵＳ３０４の１／１０を超えており、０．２％耐力が低い。

（２）実施例２
０．１ｍｍの市販のＳＵＳ３０４−Ｈ−ＣＳＰ材を用いて、硫酸銅浴中で種々の厚さの銅めっきを施した。めっき浴に添加剤として、チオ尿素（Ｈ_２ＮＣＳＮＨ_２）を添加し、この濃度を調整することで銅めっき相中のＳ濃度を調整した。表２に銅めっきの厚さ及び銅層中のＳ濃度を示す。めっき後の板を１０万回プレス加工した後、プレス後の部品の破断面比率とバリの発生高さを測定した。その結果を表２に示す。

発明例Ｎｏ．１８〜２６では、銅層中のＳ濃度が０．１ｐｐｍ〜１０ｐｐｍの範囲内であり、良好なプレス打抜き加工が得られている。
一方、比較例Ｎｏ．２７、２９、３１は銅層中のＳ濃度が０．１ｐｐｍより低いため、バリ高さが大きく、比較例Ｎｏ．２８、３０、３２、３３は１０ｐｐｍを超えており、銅層が硬くなっているため、破断面比率は小さく、バリ高さが大きく、いずれも金型の磨耗が見られた。

プレス打抜き加工の概念図である。 プレス打抜きにおいて発生するバリの説明図である。 評価に用いた金型セット形状を示す。

Claims (2)

1. ステンレス鋼帯の厚みの１／１０以下かつ０．０１μｍ以上の銅層をその鋼帯表面に被覆し、前記銅層が０．１≦Ｓ≦１０ｐｐｍのＳを含有することを特徴とする、プレス加工性に優れたばね用複合材料。
2. 請求項１に記載のコネクタ、あるいはスイッチなどの接点部品に使用されるプレス加工性に優れたばね用複合材料。