JP4934493B2 - 時効析出型合金ストリップの熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、時効析出型合金ストリップの熱処理方法に関する。

一般に、鉄、銅、アルミニウム、チタン等の純金属、またはこれらに添加元素を加えた合金を薄い板状（ストリップ）として形成した後の熱処理としては、前記ストリップをコイル状に巻いたものをケースに入れて加熱炉（バッチ炉）で加熱を行う、バッチ熱処理が実施されている。

バッチ熱処理の場合、ストリップを構成する金属材料（以下、ストリップ材料とする）の前記バッチ炉内での最高到達温度をＴ（℃）、前記ストリップ材料の融点をＴｍ（℃）としたとき、熱処理温度は、Ｔ／Ｔｍ＝０．７５未満となるように設定されることが多い。これは、熱処理温度が高いとストリップ材料の熱膨張によるストリップ同士の密着が生じたり、ストリップの強度の低下により自重で変形が生じたりするためである。前記密着部分は、次工程前に密着部分を引き剥がす必要があるが、特に、厚さ０．５ｍｍ以下のストリップでは、前記密着部分が引き剥がされる際に、ストリップが著しく変形して商品価値を失うことがある。

また、バッチ熱処理の場合、加熱処理後の冷却はケースを冷却することにより行うため、前記ストリップの冷却速度は５０〜１００℃／ｈと遅く、１０℃／ｓｅｃ程度の冷却速度が要求される熱処理（例えば時効析出型合金の溶体化処理）には適用できない。そこで、時効析出型合金の溶体化処理のように速い冷却速度が必要な場合には、連続熱処理炉（連続焼鈍炉ともいう）が一般的に用いられている。

ところで、近年、時効析出型合金ストリップに対する特性要求値は向上しており、この特性要求値を満足するために、Ｔ／Ｔｍ≧０．７５を満足する高い温度での熱処理（溶体化処理）が必要になっている。溶体化処理温度は合金の添加元素の種類、濃度で決まるものであり、求められる溶体化処理温度よりも低い温度で溶体化処理を行うと、続く時効処理で析出強化が不十分となる。例えば、銅合金の時効析出型合金においては、高強度、高導電率の要求から合金中の溶質濃度が高くなっており、溶体化処理に必要な温度、具体的にはストリップ材料の最高到達温度は８００〜１０００℃と高くすることが求められる。ところが、銅合金の融点は１０５０〜１１００℃付近であるため、上記のような高温条件では、溶体化処理時にストリップは著しく軟化することになる。

一方で、温度の上昇により溶質元素の拡散が早まるため、溶体化処理に必要な温度に到達した後にストリップ材料を固溶状態に維持するためには、冷却速度を従来より速くする必要がある。これは、冷却速度が遅いと、冷却過程で溶質元素の析出が生じてしまい、次工程の時効処理を行った際に強度の向上が低くなるからである。

また、冷却速度が速くなると、熱伝達時間が短く、幅方向で熱履歴が変わってしまうことから、熱処理後の特性値、例えばストリップ幅方向の機械的強度に差が生じやすい。通常の連続焼鈍では幅方向の端部が冷却されやすく、端部の温度が低くなる温度分布が生じる。このようなことから、ストリップの両端部を後の工程で切り捨てなければならない場合があり、歩留まりの悪化の原因となっている。

さらに、上述のように、ストリップが著しく軟化し強度が低下した状態で速い速度で冷却を行うと、ストリップの幅方向に波などの形状不良が生じやすい。この波は後工程の冷間圧延工程などでしわとなり、最終製品としてのストリップにもしわが残ることとなる。したがって、一般的な連続熱処理炉では対応できない。特に、板厚が０．５ｍｍ以下の薄物ストリップについては、波によるしわの発生がより顕著である。波が発生する要因としては、（１）冷却過程で生じる圧縮応力による幅方向の座屈、（２）冷却過程で幅方向の温度差により生じる熱応力による座屈、等が挙げられる。

このようなしわの発生を抑制するための対策として、下記特許文献１には、冷却帯の入口で、ストリップの湾曲量を検出し、この検出結果に基づき、ストリップの表面および裏面に吹付ける冷却ガスの温度を調整することが記載されている。しかしながら、特許文献１の記載に基づき本発明者らが実験を行ったところ、特に板厚が薄い材料の場合には材料の熱伝達が速いため、表面と裏面とで温度差が生じず、しわの改善は困難であることがわかった。

また、下記特許文献２には、熱応力によるストリップの変形を抑制するために、ストリップに付加する平均張力を、板幅、ヤング率等に基づき計算される値より大きくすることが記載されている。しかしながら、特許文献２の記載に基づき板厚０．２ｍｍのストリップを用いて実験を行ったところ、上述したＴ／Ｔｍ≧０．７５を満たす高温の熱処理条件では、張力を上げることでむしろしわが多く形成されることがわかった。これは、強度が著しく低下していること、及び板厚が薄いことが原因であり、張力を上げた事で幅方向の内向きに応力が生じ座屈が生じていると考えられる。

また、下記特許文献３には、ストリップの幅方向の温度差に起因する形状不良を解消するために、冷却帯の入口で測定したストリップ温度に基づき、ストリップに生じる幅方向の応力分布を推定し、冷却ガスプレナム圧を制御することが記載されている。しかしながら、特許文献３に記載の冷却方法では、応力分布の推定が難しく、操業化は困難である。

なお、特許文献１〜３のいずれにおいても、Ｔ／Ｔｍ≧０．７５を満たす、ストリップ材料の融点に近い高温の熱処理条件で溶体化処理を行う方法について何ら記載されていない。
特開平７−１１３３６号公報 特開平８−２６９５７５号公報 特開平１０−２６５８５６号公報

このように、引張強度等の特性要求値を満足するために材料の融点に近い高温条件での溶体化処理を実施しようとすると、溶体化処理後の冷却速度を従来よりも速くする必要がある一方で、急速冷却により材料に形状不良が生じやすく、また、幅方向での熱履歴に起因して、幅方向の特性に差が生じやすい。このため、材料の融点に近い高温条件での溶体化処理を行うことは、実現していないのが現状である。

本発明の第1の目的は、従来のストリップと比較し、引張強度に優れ、良好なストリップ形状を有し、幅方向の特性差の小さいストリップを得ることができる、厚さ０．５ｍｍ以下の時効析出型合金ストリップの熱処理方法を提供することにある。
第２の目的は、特性要求値を満足するためにストリップ材料の融点に近い高温での溶体化処理を行った場合にも、引張強度に優れ、良好なストリップ形状を有し、且つ、幅方向の特性差の小さいストリップを得ることができる、厚さ０．５ｍｍ以下の時効析出型合金ストリップの熱処理方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、時効析出型銅合金を厚さ０．５ｍｍ以下のストリップとして形成し、前記ストリップを熱処理炉により加熱した後冷却する時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法において、前記ストリップの最高到達温度をＴ（℃）、前記ストリップを構成する時効析出型銅合金の融点をＴｍ（℃）としたとき、前記ストリップをＴ／Ｔｍ＝０．７５〜０．９５を満たす条件で加熱する加熱処理工程と、前記加熱処理工程により加熱された前記ストリップを冷却する冷却処理工程とを含み、前記熱処理炉の炉内最高温度部において前記ストリップに付加する張力を、前記最高到達温度Ｔにおける前記ストリップの耐力の３％以上１９％以下とすることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法である。
このように、Ｔ／Ｔｍ＝０．７５〜０．９５を満たす高温条件で、ストリップに対して加熱処理工程を含む熱処理を実施することにより、続く時効処理において、充分な析出強化効果を得ることができ、ストリップ材料の引張強度を向上させることができる。また、熱処理炉の炉内最高温度部においてストリップに付加する張力を、最高到達温度Ｔにおけるストリップの耐力の３％以上１９％以下とすることにより、ストリップに波を生じさせない良好なストリップ形状を得ることができる。

ここで、上記高温条件での加熱処理工程を含む熱処理を実施する場合、上述したように、加熱処理工程後の冷却処理工程の冷却速度を従来よりも速くする必要がある一方で、急速冷却により材料に形状不良が生じやすく、また、幅方向での熱履歴に起因して、幅方向の特性に差が生じやすい。
そこで、本発明者らは、高温条件での加熱処理工程を含む熱処理を実施するにあたり、材料の形状不良の解消及び幅方向の特性の均一化について種々の検討を行い、以下のような知見を得た。

一般に、工業的に溶体化処理を行った場合、実験室レベルで小型サンプル（例えば長さ及び幅が数ｃｍ〜数十ｃｍ、厚さが０．５ｍｍ以下）の溶体化処理を行った場合（これを理想的な溶体化状態と定義する）と比べて、溶体化処理後に行われる時効処理によって得られるストリップの強度は低い。これは、工業的な熱処理では冷却速度が低下し、冷却中に溶質元素が粗大に析出してしまい、析出強度向上に寄与しなくなるためである。そこで、理想的な溶体化状態で得られる強度の９０％以上（強度の損失分が理想的な溶体化状態で得られる強度の１０％以下）の強度が得られれば、工業的に好ましいと判断することとし、これを前提として、発明者らは種々の材料の溶体化処理実験を行った結果、工業的に好ましいと判断できる強度を得るためには、加熱処理工程後の冷却処理工程において、ストリップを前記最高到達温度Ｔ（℃）から前記最高到達温度Ｔ（℃）の６０〜８０%の温度まで、２０〜１５０℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却（急冷）する必要があることを見出した。

また、温度勾配が４００℃／ｍ以下となる条件、及び／又は、熱処理炉内の最高温度部においてストリップに付加する張力が、その温度でのストリップの耐力の１０%以下となる条件で冷却を行うことにより、良好なストリップ形状を得ること見出した。これは、高温の熱処理条件においては、上記特許文献２の記載とは逆に、形状を安定するにはむしろ張力を低下させなければならないという知見である。

さらに、冷却中のストリップ幅方向の温度差が±１０℃以下となる条件で冷却を行うことにより、ストリップ材料の両端部と中央部との熱履歴が均一化され、熱処理後の機械的強度に幅方向の差が生じ難いことを見出した。

すなわち、本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係る熱処理方法において、前記冷却処理工程は、前記ストリップを前記最高到達温度Ｔ（℃）から前記最高到達温度Ｔ（℃）の６０〜８０%の温度まで、冷却速度２０〜１５０℃／ｓｅｃで冷却する工程であることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様に係る熱処理方法において、前記冷却処理工程は、温度勾配が４００℃／ｍ以下となる条件で前記ストリップを冷却する工程であることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第１から第３のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記熱処理炉の炉内最高温度部において前記ストリップに付加する張力を、前記最高到達温度Ｔにおける前記ストリップの耐力の１０％以下とすることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記第１から第４のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記ストリップを構成する時効析出型銅合金は、その融点Ｔｍ（℃）の７５％未満の温度で母相と第２相に相分離を起こす時効析出型銅合金であることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、前記第１から第５のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記熱処理炉は、連続熱処理炉であることを特徴とする。

本発明の第７の態様は、前記第１から第６のいずれかの態様に係る熱処理方法により製造された時効析出型銅合金ストリップであって、前記ストリップの幅方向に生じる波の最大高さが１０ｍｍ以下であることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップである。

本発明の第８の態様は、前記第１から第６のいずれかの態様に係る熱処理方法により製造された時効析出型銅合金ストリップであって、前記ストリップの幅方向の引張強さ分布が±１０ＭＰａ以下であることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップである。

本発明の第９の態様は、前記第１から第６のいずれかの態様に係る熱処理方法により製造された時効析出型銅合金ストリップであって、前記ストリップの引張強度が、理想的な溶体化状態における引張強度の９０〜１００％の値であることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップである。

本発明によれば、Ｔ／Ｔｍ＝０．７５〜０．９５を満たす高温条件で、ストリップに対して加熱処理工程を含む熱処理を実施することにより、従来のストリップと比較し、引張強度に優れ、良好なストリップ形状を有し、幅方向の特性差の小さいストリップを得ることができる。また、加熱処理工程後の冷却処理工程における冷却速度、温度勾配、ストリップ材料幅方向の温度差、及び熱処理炉内の最高温度部においてストリップに付加する張力を適正化することで、材料の融点に近い前記高温条件においても、引張強度に優れ、良好なストリップ形状を有し、且つ、幅方向に特性差の小さいストリップを得ることが可能となる。

以下に、本発明の熱処理方法の実施形態について説明する。
本発明の熱処理方法は、厚さ０．５ｍｍ以下の時効析出型合金ストリップに対する加熱処理工程及びそれに続く冷却処理工程を含む。
時効析出型合金としては、例えば、銅合金、鉄合金、アルミニウム合金等の、ストリップ材料の融点Ｔｍ（℃）の７５％未満の温度で母相と第2相に相分離を起こす時効析出型合金が挙げられる。以下に、各処理条件について説明する。

（加熱処理工程における条件）
ストリップ材料の最高到達温度をＴ（℃）、融点をＴｍ（℃）としたとき、Ｔ／Ｔｍ＝０．７５〜０．９５を満たす条件で、ストリップに熱処理（溶体化処理）を行う。なお、熱処理炉におけるストリップの加熱温度については、ストリップ材料の合金組成および時効処理後のストリップの諸特性を考慮して設定される。熱処理炉内のストリップの実体温度は、一般に計算により求められる。加熱温度の制御は、一般的な熱処理炉を用いた場合と同様に制御される。

このような条件で溶体化処理を行うことにより、その後の時効処理において第２相が十分に析出し、大きな析出強化効果を得ることができ、ストリップの引張強度を向上させることができる。引張強度は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に基づいた測定方法により求められる。

なお、Ｔ／Ｔｍが０．９５を超える場合には、僅かな温度ばらつきで材料の融点を超えてしまい、材料が融けて破断する可能性が高くなる。このため、長尺のストリップをＴ／Ｔｍが０．９５を超えるような高温条件で工業的に熱処理するのは、実質的には不可能であると考えられる。

（冷却処理工程における条件）
（１）冷却速度
高温条件で溶体化処理を実施することにより、溶質元素の拡散が早まるため、溶体化温度に到達した後に固溶状態を維持するためには、冷却速度を速くする必要がある。冷却条件としては、溶体化処理を実施した後、ストリップ材料の最高到達温度Ｔ（℃）の６０％〜８０％までは、２０〜１５０℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却（急冷）することが望ましい。このような条件で冷却を行うことにより、上述した理想的な溶体化状態で得られる強度の９０％以上の強度を得ることができる。

冷却速度が２０℃／ｓｅｃより遅いと、時効処理後の強度が、理想的な溶体化状態で得られる強度の９０%未満に低下しやすくなる。また１５０℃／ｓｅｃ以上では、時効処理後の強度は変わらなくなるだけでなく、設備が大型化し、後述する様に材料の温度勾配が大きくなり、ストリップ形状を悪化させるため好ましくない。

また、最高到達温度の６０〜８０％としたのは、８０％以上では温度が高いため溶質元素の拡散が早く粗大析出が生じやすいからである。一方、６０％以下では時効処理後の強度が変わらなくなるだけでなく、設備の大型化が必要になるからである。

（２）温度勾配
冷却時の温度勾配はストリップ形状に影響を及ぼす。温度勾配は４００℃／ｍ以下とすることが好ましい。なお、温度勾配は、単位長さでの温度変化を表す。

４００℃／ｍを超えると材料の収縮差により生じる熱応力が大きくなりしわが入りやすくなる。温度勾配は材料の冷却速度÷ライン速度で求められ、前述の冷却速度範囲を満足し、４００℃／ｍを超えないように、ライン速度を設定すればよい。

このように、温度勾配を制御することで、熱処理後のストリップの幅方向に生じる波の最大高さが１０ｍｍ以下となる。１０ｍｍを超えると商品価値が低くなり、また搬送ロールに巻き付けられた時にしわが折れ重なってしまい、最終製品としてのストリップをコイラーで巻き上げる事すら困難となることがある。

波の最大高さは、図２に示すように、ストリップを長手方向に５００ｍｍの長さに切断し、平坦な板の上に載せ、山の最大高さを計測することで求めることができる。

（３）幅方向の温度差
一般に、ストリップの両端部は冷却されやすいため、両端部と中央部との温度差が生じる。冷却速度が速いと、熱伝達によって温度差が緩和される時間が少ないことから、温度差がそのまま持ち越され、熱履歴が中央部と端部で異なることになる。このため、溶体化処理後の機械的強度、及びその後の時効処理時の強度が、幅方向で異なる。これを回避するためには中央部と両端部との温度差を±１０℃以下、好ましくは±５℃以下に制御することが望ましい。これにより、幅方向の引張強さの差を±１０ＭＰａ以内にすることが可能となる。

幅方向の引張強さの差は、ストリップ材を幅方向に５０ｍｍ間隔でＪＩＳ−Ｚ２２４１に基づく引張試験を行い、引張強さの幅方向分布を求め、その最大値と最小値の差とする。

（熱処理炉内における張力の条件）
熱処理炉の炉内最高温度部においてストリップに付加する張力も、ストリップ形状に影響を及ぼす。炉内最高温度部においてストリップに付加する張力は、その温度におけるストリップの耐力の１０％以下に制御することが好ましい。張力は、高いと幅方向の内向きに応力が作用し、ストリップに波が生じ、その波により後工程でしわが生じる。波が最も発生しやすいのはストリップが最高到達温度に到達した部分であり、しわを防ぐには、この部分に付加する張力を、ストリップ材料の最高到達温度における耐力の１０％以下とすることが好ましい。

張力の測定方法は、連続熱処理炉の構造により異なる。連続熱処理炉にはストリップを縦に搬送する縦型、ストリップを横に搬送する横型があり、それぞれの場合について説明する。

縦型炉の場合は、炉の下部に設置するロードセルロールで計測する張力に、炉下部から炉内最高温度部までの距離より求まる自重分を加算し、ストリップ材の断面積で割ることで求められる。

横型炉の場合は、炉の入口または出口に設置するロードセルロールで計測する張力をストリップ材の断面積で割ることで求められる。

また、張力の制御は、一般的な連続熱処理炉における張力制御方法を用いることにより実現可能である。
耐力の測定方法は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に基づき引張試験を行い、０．２％の永久伸びを生じるときの応力を算出する。

高温での熱処理（溶体化処理）を行うため、本発明の熱処理方法においては、熱処理炉として連続熱処理炉（連続焼鈍炉）を用いることが好ましい。
連続熱処理炉としては、前述のとおりストリップを縦に搬送する縦型、及び横に搬送する横型があり、さらに縦型は上から下に搬送するダウンヒート型、下から上に搬送するアップヒート型が存在する。本発明はこれらの何れを使用してもよい。

図１に、本発明の熱処理方法を実施することができる連続熱処理炉の構成の一例を示す。連続熱処理炉は、ストリップ１の搬送方向上流側から、ストリップ１に加熱処理を実施するための加熱帯２と、ストリップ１に冷却処理を実施するための冷却帯３とを有している。搬送ロール４、５は、ストリップ１を炉内中央に搬送させるためのロールである。

次に、図１に示した連続熱処理炉を用いて行った実施例について説明する。
表１に示す材料及び板厚のストリップを、表１に示す熱処理条件で熱処理し、熱処理後の強度達成率、幅方向の最大波高さ、及び幅方向の引張強度差を測定した。各測定結果を、表１に合わせて示す。

表１に示すように、比較例１は、Ｔ／Ｔｍ＜０．７５であるため、対応する本発明例２と比較して強度達成率が低い。一方、比較例２は、Ｔ／Ｔｍ＞０．９５であるため、通板中に板切れが発生した。

また、本発明例２と本発明例１３との比較、及び、本発明例７と本発明例１７との比較から、冷却速度が２０℃／ｓｅｃ以上の場合に、高い強度達成率を得られることがわかる。

また、本発明例２と本発明例１４との比較、及び、本発明例７と本発明例１８との比較から、幅方向温度差が±１０℃以下の場合には、幅方向引張強度差を小さくできることがわかる。

さらに、本発明例２と本発明例１５及び１６との比較、及び、本発明例７と本発明例１９との比較から、ライン張力／耐力値が１０％以下の場合には、幅方向最大波高さを小さくできることがわかる。

本発明の熱処理方法を実施することができる連続熱処理炉の概略構成図である。 ストリップの波の最大高さの測定方法を示す概念図である。

符号の説明

１：ストリップ
２：加熱帯
３：冷却帯
４、５：搬送ロール

Claims (9)

1. 時効析出型銅合金を厚さ０．５ｍｍ以下のストリップとして形成し、前記ストリップを熱処理炉により加熱した後冷却する時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法において、前記ストリップの最高到達温度をＴ（℃）、前記ストリップを構成する時効析出型銅合金の融点をＴｍ（℃）としたとき、前記ストリップをＴ／Ｔｍ＝０．７５〜０．９５を満たす条件で加熱する加熱処理工程と、前記加熱処理工程により加熱された前記ストリップを冷却する冷却処理工程とを含み、前記熱処理炉の炉内最高温度部において前記ストリップに付加する張力を、前記最高到達温度Ｔにおける前記ストリップの耐力の３％以上１９％以下とすることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法。
2. 前記冷却処理工程は、前記ストリップを前記最高到達温度Ｔ（℃）から前記最高到達温度Ｔ（℃）の６０〜８０％の温度まで、冷却速度２０〜１５０℃／ｓｅｃで冷却する工程であることを特徴とする請求項１に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法。
3. 前記冷却処理工程は、温度勾配が４００℃／ｍ以下となる条件で前記ストリップを冷却する工程であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法。
4. 前記熱処理炉の炉内最高温度部において前記ストリップに付加する張力を、前記最高到達温度Ｔにおける前記ストリップの耐力の１０％以下とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法。
5. 前記ストリップを構成する時効析出型銅合金は、その融点Ｔｍ（℃）の７５％未満の温度で母相と第２相に相分離を起こす時効析出型銅合金であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法。
6. 前記熱処理炉は、連続熱処理炉であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法により製造された時効析出型銅合金ストリップであって、前記ストリップの幅方向に生じる波の最大高さが１０ｍｍ以下であることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップ。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法により製造された時効析出型銅合金ストリップであって、前記ストリップの幅方向の引張強さ分布が±１０ＭＰａ以下であることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップ。
9. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の時効析出型銅合金ストリップの熱処理方法により製造された時効析出型銅合金ストリップであって、前記ストリップの引張強度が、理想的な溶体化状態における引張強度の９０〜１００％の値であることを特徴とする時効析出型銅合金ストリップ。

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