JP4423054B2 - プレス打抜き性に優れた電子部品用素材 - Google Patents
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Description
小型化多機能化が目覚しい携帯電話端末などの精密機器に使用されるコネクタは、より多くの情報をより正確により高速に伝達する必要がある。その為、コネクタのピン幅及びピン間隔は、益々狭くなってきている。それに使用される素材は、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、更に省エネや放熱性の観点から導電率が高いものが求められている。コネクタ材には従来より銅合金が使用され、前述のニーズに対処すべく強度と曲げ性及び導電率を兼ね備えた銅合金が開発されつつある。具体的には、ベリリウム銅やチタン銅に代表される時効硬化型の銅合金がファインピッチのコネクタに使用されつつある。コネクタは素材をプレス加工することによって製造され、プレス金型にはダイス鋼やハイス鋼などの鉄鋼材料が使用されている。前述の高強度化合金のほとんどが活性元素を含有しており、それらの合金は一般的なコネクタ材であるりん青銅に比べてプレス金型を著しく摩耗させる。プレス金型が摩耗してくると、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、プレス金型を研磨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り、ピン数の増加と相まって、金型を研磨する頻度が一層増えてしまう。加えてプレス加工が精密であればあるほど金型自体のコストが高くつくので、このような分野の合金で、プレス打抜き性を改善することは大変重要な課題であった。
本発明者らは上記した問題点を解決するため特に強度を向上されるために添加された元素と酸素との親和性の関係から金型摩耗の機構を解明し、本発明を見出した。さらに結晶粒径及び表面の粗さについても究明した。
銅合金に活性元素を添加して高強度化することが多い。例えば、コルソン合金は、主成分であるSi,Ni,Ti,Co,Cr等を増量させると強度は向上するが、金型も摩耗し易くなる。コルソン合金に特定の微量元素(請求項5)を添加して適切な工程を施し、更に強度を向上させることができる。
Si,Ti,Co,Cr等の酸化物を形成し易い活性元素は、以下図1を参照として説明するようにプレス打抜き性を悪化させる。すなわちこのような活性金属を含有する銅合金の剪断加工において、金型工具が摩耗するのは、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、摩耗し易いのである。以下説明する本発明の実施例では、コルソン合金に厚さ0.5μmのCuめっきしたものと、更にその上に薄いSnめっきしたものを、なにもめっきしない比較例と対比して、本発明実施例は著しく金型寿命が伸びることを示した。またこれらの実施例及び比較例では銅合金の内質は変えずに薄い表面処理だけ行なっている。即ち素材強度が向上されるため、活性元素を添加した銅基合金は、金型が摩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。
プレス時に発生する酸化熱も金型を摩耗させる要因と考えられるが、SnはCuよりも鉄鋼表面に対する潤滑性が高く、Cuめっきより更に金型を摩耗し難くする。本発明で規定したSn層は薄いので、適切な熱処理を施すことにより、軟らかい純Sn層がほとんど無い、硬い合金層のみの表面が形成され、更にプレス打抜き性を向上する。すなわち、母材にCuめっきすることにより、優れた固体潤滑が実現し、活性金属を含有する被加工材母材と工具との間に生じ易い凝着摩耗を低減するが、Cuめっきの上に薄いSnめっきをすることにより、その効果が更に大きくなる。
そして適切な表面粗さに調整することにより、潤滑剤使用時には優れた流体潤滑効果も併せて実現され、プレス加工性が一層良好なものとなる。また、圧延直後の残留応力の板厚方向の分布は、図2に示すように表面に圧縮応力が存在する。このような状態では、母材とめっき層との界面は脆弱なものとなり、プレス時にめっきが剥離する場合がある。母材のめっき層界面からの深さ1μm地点での圧縮応力が50N/mm2以上であるとこのような現象が生じてくる。このような母材表層部の圧縮残留応力を除去して、めっき層と母材との界面を安定にするには、母材の圧延後に残留応力除去焼鈍を施してからめっきしてもよいが、めっき後に母材の再結晶温度以下の温度にて熱処理するのが最も効果的である。
規定のプレス加工性の良好な表面粗さ(RzとRyの差異が小さい)を作りこむには、表面粗さを作り込む工程(表面粗さを調整したワークロールでの圧延や酸洗研磨等)の後にめっきをしたほうがよい。
(1) Si:0.1〜1.0mass%と、Ni、並びにCo、Ti及びCrの少なくとも1種とを合計含有量で0.5〜4.0mass%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金の表層が、厚さ0.05〜2.00μmのCu層と、さらに厚さ0.005〜0.10μmのSnめっき層を有したCu下地Snめっき層構造から成り、前記Cu層と前記銅基合金の界面から内側1μm地点での圧縮残留応力が50N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
(2) 前記銅基合金が、Mg,Mn,Sn,Zn,及びPからなる群から選択された1種又は2種以上を0.001〜1.0mass%さらに含有することを特徴とする上記(1)のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
(3) 前記銅基合金が圧延材であり、圧延材の表面調整により、最外層表面の圧延直角方向の表面粗さがRy:0.3〜3.0μm,Rz:0. 3〜3.0μm,Sm:0.01〜0.5mm、かつ(Ry-Rz)/Rz≦1に調整されていることを特徴とする上記(1)又は(2)項に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
(4)めっき後に前記銅基合金の再結晶温度以下の温度で熱処理されていることを特徴とする上記(1)から(3)の何れか1項に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
なお、−50kJ/mol以下は、絶対値が50kJ/mol以上となることを意味する。さらに、以下の説明で述べる「母材」は「銅基合金」を指す。
最表面を青銅化させることにより、更に固体潤滑の効果を向上させることができる。したがって、本発明においては、Cu層厚さ0.05〜2.00μm及びSn層厚さ0.005〜0.10μmのCu下地Snめっきを銅合金に施したものを提供する。Sn層は薄いので、めっき後に適切な熱処理を施すことにより軟らかい純Snはほとんどなくなり、青銅化された表面がプレス打抜き性を向上させる。
Ry(最大高さ),Rz(十点平均粗さ),Sm(凹凸の平均間隔):何れもJIS B0601で規定されている。
第1 Cuめっきのみの実施例及び比較例
参考例と比較例の試験材作成
大気溶解炉で表1の成分のインゴットを溶製し、950℃に加熱して熱間圧延し板厚10mmの熱延板を得、更に950℃で十分な均質化焼鈍を行なった後水冷し、機械面削加工により酸化スケールを取り除いた後、冷延して板厚0.2mmの冷延板を得た。その後大気中800〜900℃×30〜120sで溶体化処理を行い、酸洗後、400〜500℃×3〜48hの時効処理を行い、冷延して板厚0.15mmで低温焼き鈍しを行い、最後に表2に示すCuめっきを施した。尚、表面粗さは、圧延によっても作りこめるが、参考例では低温焼き鈍し後に酸洗研磨を行い、研磨砥粒のサイズによって粗さの大きさを調整した。均質な粗さを作りこむには、砥粒の粒度分布を適性範囲内に規制する必要があり、市販の砥粒を更に遠心分離機にかけて均等サイズの砥粒ごとに分離することが望ましい。また、低温焼き鈍し焼鈍後に酸洗研磨を行ったことにより、母材表面に加工歪が蓄積されたので、Cuめっき後に熱処理を行い、残留応力除去を行った。
表1に示す残留応力は、幅5mm,長さ200mmの帯状の板を酸洗により両面のめっき層を取り除いた後、更に母材片面表層1μmを化学腐食により取り除いてそのたわみ量より算出した。
σ:表面からの深さz地点での残留応力 ν:ポアソン比
尚、他のプレス条件は以下の通りである。金型工具材料:SKD11,クリアランス:10μm,ストローク:400rpm
No.1〜6は強度が高く曲げ性及びプレス加工性も良い。このうちNo.1以外は請求項3をも満たしているので、潤滑剤を使用したときのプレス加工性が更に良くなっている。また、No.2以外は請求項2を満たしており、強度の向上が見られる。
一方比較例において、No.7はSnめっきを施さなかったものでNo.8はSnめっき厚が請求項の規定より厚いものである。発明例に比べてバリが高く破断面比率が低いことから金型の摩耗が進行していると言える。更にNo.9は、Snめっきをせずに内質改善でプレス加工性を良好にしたものであるが、Sを多量に含有しているために延性が低下し、曲げ性が劣っている。No.10,11は母材表層の残留応力が高すぎて、プレス時にめっき層が脆く剥離して良好な固体潤滑が得られず、金型の摩耗の抑制効果が低い。
第1の実施例及び比較例と同様の処理及び試験を行なった。但し、めっきは表6に示すようにCu下地めっき後Snめっきを行なった。
一方比較例において、No.27はめっきを施さなかったものでNo.28はSnめっき厚が請求項の規定より厚いものである。発明例に比べてハ゛リが高く破断面比率が低いことから金型の摩耗が進行していると言える。更にNo. 29は、めっきをせずに内質改善でプレス加工性を良好にしたものであるが、Sを多量に含有しているために延性が低下し、曲げ性が劣っている。No.30,31は母材表層の残留応力が高すぎて、プレス時にめっき層が脆く剥離して良好な固体潤滑が得られず、金型の摩耗の抑制効果が低い。
2 ダイ
Claims (4)
- Si:0.1〜1.0mass%と、Ni、並びにCo、Ti及びCrの少なくとも1種とを合計含有量で0.5〜4.0mass%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅基合金の表層が、厚さ0.05〜2.00μmのCu層と、さらに厚さ0.005〜0.10μmのSnめっき層を有したCu下地Snめっき層構造から成り、前記Cu層と前記銅基合金の界面から内側1μm地点での圧縮残留応力が50N/mm2以下であることを特徴とするプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
- 前記銅基合金が、Mg,Mn,Sn,Zn,及びPからなる群から選択された1種又は2種以上を0.001〜1.0mass%さらに含有することを特徴とする請求項1記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
- 前記銅基合金が圧延材であり、圧延材の表面調整により、最外層表面の圧 延直角方向の表面粗さがRy:0.3〜3.0μm,Rz:0. 3〜3.0μm,Sm:0.01〜0.5mm、かつ(Ry-Rz)/Rz≦1に調整されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
- めっき後に前記銅基合金の再結晶温度以下の温度で熱処理されていることを特徴とする請求項1から3までの何れか1項に記載のプレス打抜き性に優れた電子部品用素材。
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