JP5070772B2 - 熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金 - Google Patents
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Description
この発明は、熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に関するものであり、さらにこの発明は熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなるインゴットに関するものであり、さらにこの発明は熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなるインゴットを熱間圧延および冷間圧延して得られた薄板に関するものであり、この薄板はコネクタやリードフレームなどの電気・電子部品の製造に用いられるものである。
一般に、各種端子、リレー、ブレーカー、ボリューム、接点ばね、スイッチ、ヒューズ、ランプソケット、ＩＣソケット、リードフレーム、コネクタなどの電気・電子用部品、その他のばね用部品を製造するには、Ｎｉ：０．５〜４質量％未満、Ｓｉ：０．１〜１質量％未満を含有し、さらにＴｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＴｈのうちの１種以上を総量で０．０００５〜０．０５質量％未満を含有し、さらに必要に応じてＭｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｂ，Ｂｅ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．０１〜１質量％未満含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなる薄板（特許文献１参照）、Ｎｉ：０．４〜４．０質量％、Ｓｉ：０．１〜３９質量％、Ｚｎ：０．０５〜１．０質量％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１質量％、Ｓ：０．００３質量％以下を含有し、さらにＢ：０．００１〜０．０１質量％、Ｃｒ：０．００１〜０．０１質量％、Ｔｉ：０．００１〜０．０１質量％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１質量％のうちの１種又は２種以上を合計で０．００１〜０．０１質量％含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなる薄板（特許文献２参照）が使用されることは知られている。
これらＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は、原料を大気中で溶解し、鋳造して銅合金インゴットを作製し、このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金インゴットを７００℃以上に加熱したのち熱間圧延などの熱間加工を行うことにより熱延板を作製し、次いで９２０〜１０００℃の範囲に加熱後急水冷することにより溶体化処理し、次いで４００〜５２０℃の温度で０．５〜５時間保持の時効処理を施し、最終的に冷間圧延したのち歪取り焼鈍することにより薄板に加工することが知られている。
特開平６−１８４６８１号公報
特開昭６０−２２１５４１号公報
しかし、一般に、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は熱間加工性が低く、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金インゴットを熱間加工する際に熱延材に端部割れや耳割れなどの割れが発生するので歩留まりが低い。そのために添加元素を調整して熱間加工性を向上させようとしているが（特許文献２参照）、いまだ十分に熱間加工する際に割れを防止することができなかった。この発明は熱間加工時に割れが発生することのない熱間加工性に一層優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、熱間加工性に一層優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金を得るべく研究を行った。その結果、従来から知られているＮｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％を含むＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金において、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有せしめ、このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に不可避不純物として含まれる酸素含有量および硫黄含有量をいずれも０．００１質量％以下に規制し、さらに合金素地中にＮｉ，Ｓｉ，ＭｇおよびＺｒからなる金属間化合物粒子を均一に分散した組織を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金のインゴットは、熱間加工中に割れが発生することはなく、かかる成分組成および組織を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に比べて熱間加工性が一層優れ、熱間加工中に割れが発生することはない、という知見を得たのである。
この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄をそれぞれ０．００１質量％以下に規制した組成、並びに素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒからなる金属間化合物粒子が分散している組織を有する熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金、に特徴を有するものである。
（１）Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄をそれぞれ０．００１質量％以下に規制した組成、並びに素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒからなる金属間化合物粒子が分散している組織を有する熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金、に特徴を有するものである。
この発明の前記（１）記載の熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に、さらにＭｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％含有しても同様に熱間加工性に優れた効果を示す。従って、この発明は、
（２）Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、さらに、Ｍｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄をそれぞれ０．００１質量％以下に規制した組成、並びに素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒからなる金属間化合物粒子が分散している組織を有する熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金、に特徴を有するものである。
（２）Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、さらに、Ｍｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄をそれぞれ０．００１質量％以下に規制した組成、並びに素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒからなる金属間化合物粒子が分散している組織を有する熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金、に特徴を有するものである。
前記（１）または（２）記載の熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に不可避不純物として含まれる酸素および硫黄は少ないほど好ましく、０．０００５質量％以下とすることが一層好ましい。
この発明の成分組成および組織を有する熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金を製造するには、９９．９９％以上の純度を有する電気銅、無酸素銅を真空または不活性ガス雰囲気中で溶解して酸素濃度：０．００１質量％以下の極低酸素純銅溶湯を作製することが必要である。酸素濃度が０．００１質量％を越えて含有するとＺｒは非常に酸化しやすい元素であるから、微量のＺｒは酸素と先に反応して酸化ジルコニウムを生成し、ＮｉとＳｉとＭｇとＺｒからなる四元系金属間化合物の生成がなくなり、微量のＺｒが酸化物生成に消費されてＮｉとＳｉとＭｇの金属間化合物に作用しない状況下では、十分な熱間加工性改善効果が得られず、熱間加工性が低下し、熱間加工中に端部割れや耳割れが発生するようになるので好ましくない。かかる極低酸素純銅溶湯にＮｉ、Ｓｉ、Ｍｇを添加し、最後にＺｒを添加することによりこれら成分を含むＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金溶湯を作製し、このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金溶湯を鋳造することによりＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金のインゴットを作製する。
このようにして得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金のインゴットは、Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、さらに、必要に応じて、Ｍｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄をいずれも０．００１質量％以下に規制した組成を有し、さらに合金素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒの金属間化合物粒子が分散している組織を有している。したがって、この発明は、
（３）前記（１）または（２）記載の熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなるインゴット、に特長を有するものである。
このようにして得られたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金のインゴットは、Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、さらに、必要に応じて、Ｍｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄をいずれも０．００１質量％以下に規制した組成を有し、さらに合金素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒの金属間化合物粒子が分散している組織を有している。したがって、この発明は、
（３）前記（１）または（２）記載の熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなるインゴット、に特長を有するものである。
前記（３）記載のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金のインゴットを用いて薄板を作製するには、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金インゴットを７００℃以上に加熱し、この温度で熱間加工を行うことにより鋳造組織を破壊して加工組織とし、次いで９２０〜１０００℃の範囲に加熱後急水冷することにより溶体化処理し、次いで４００〜５２０℃の温度で０．５〜５時間保持の時効処理を行うことにより作製することができる。
この発明の熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金の成分組成を前述のごとく限定した理由を説明する。
Ｎｉ：
ＮｉはＳｉとの金属間化合物を形成し、これを素地中に微細に析出して材料強度を向上させる作用を有するが、その含有量が１．０質量％未満では十分な強度向上効果が得られず、一方、５．０質量％を越えて含有すると熱間加工性やメッキ性が悪化するので好ましくない。したがって、Ｎｉ：１〜５質量％に定めた。
Ｎｉ：
ＮｉはＳｉとの金属間化合物を形成し、これを素地中に微細に析出して材料強度を向上させる作用を有するが、その含有量が１．０質量％未満では十分な強度向上効果が得られず、一方、５．０質量％を越えて含有すると熱間加工性やメッキ性が悪化するので好ましくない。したがって、Ｎｉ：１〜５質量％に定めた。
Ｓｉ：
Ｓｉは、Ｎｉとの金属間化合物を形成し、これを素地中に微細に析出して材料強度を向上させる作用を有し、この素地中に微細に析出するＮｉとＳｉとの金属間化合物はＮｉ２ＳｉであるからＮｉ濃度に応じてＳｉの最適濃度範囲も決まるが、その含有量が０．３質量％未満では十分な効果が得られず、一方、１．５質量％を越えて含有すると、熱伝導性を阻害するところからＳｉの含有量を０．３〜１．５質量％に定めた。
Ｓｉは、Ｎｉとの金属間化合物を形成し、これを素地中に微細に析出して材料強度を向上させる作用を有し、この素地中に微細に析出するＮｉとＳｉとの金属間化合物はＮｉ２ＳｉであるからＮｉ濃度に応じてＳｉの最適濃度範囲も決まるが、その含有量が０．３質量％未満では十分な効果が得られず、一方、１．５質量％を越えて含有すると、熱伝導性を阻害するところからＳｉの含有量を０．３〜１．５質量％に定めた。
Ｍｇ：
Ｍｇは、強度や耐熱性を向上させ、さらに応力緩和特性、Ｚｎはんだおよびメッキ剥離性の抑制や耐マイグレーションを向上させる作用があるので添加するが、Ｍｇを０．０１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、０．５質量％を越えるとかえって導電率が著しく低下するので好ましくない。したがって、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％に定めた。
Ｍｇは、強度や耐熱性を向上させ、さらに応力緩和特性、Ｚｎはんだおよびメッキ剥離性の抑制や耐マイグレーションを向上させる作用があるので添加するが、Ｍｇを０．０１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、０．５質量％を越えるとかえって導電率が著しく低下するので好ましくない。したがって、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％に定めた。
Ｚｒ：
Ｚｒは０．００００５質量％の極めて微量な濃度でも残留するだけで熱間加工性が改善されるので添加するが、その含有量が０．００００５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、Ｚｒが０．０００９質量％を越えると熱間変形抵抗が増大するようになるので好ましくない。したがって、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％に定めた。Ｚｒ含有量の一層好ましい範囲は０．０００１〜０．０００５質量％である。
Ｚｒは０．００００５質量％の極めて微量な濃度でも残留するだけで熱間加工性が改善されるので添加するが、その含有量が０．００００５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、Ｚｒが０．０００９質量％を越えると熱間変形抵抗が増大するようになるので好ましくない。したがって、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％に定めた。Ｚｒ含有量の一層好ましい範囲は０．０００１〜０．０００５質量％である。
Ｏ：
合金中に酸素が含まれていると、微量添加したＺｒを酸化して酸化ジルコニウムとなり、ＮｉとＳｉとＭｇとＺｒの四元系金属間化合物として素地中に析出しなくなるので熱間加工性を著しく低下させる。したがって、その含有量は微量であるほど好ましく、０．００１質量％以下であることが必要であり、０．０００５質量％以下であることが一層好ましい。
合金中に酸素が含まれていると、微量添加したＺｒを酸化して酸化ジルコニウムとなり、ＮｉとＳｉとＭｇとＺｒの四元系金属間化合物として素地中に析出しなくなるので熱間加工性を著しく低下させる。したがって、その含有量は微量であるほど好ましく、０．００１質量％以下であることが必要であり、０．０００５質量％以下であることが一層好ましい。
Ｓ：
硫黄は熱間加工性を著しく低下させる成分であるので、合金中に含まれるＳは０．００１質量％以下であることが必要であり、微量であるほど好ましい。
硫黄は熱間加工性を著しく低下させる成分であるので、合金中に含まれるＳは０．００１質量％以下であることが必要であり、微量であるほど好ましい。
Ｍｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐ：
これらの成分は、強度や耐熱性を向上させ、また鋳造性や熱間加工性を向上させるので必要に応じて添加するが、これら成分のうちの１種又は２種以上を合計で０．００５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、２．０質量％を越えて含有すると、導電率が著しく低下するので好ましくない。したがって、これら成分はこれら成分のうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％に定めた。
これらの成分は、強度や耐熱性を向上させ、また鋳造性や熱間加工性を向上させるので必要に応じて添加するが、これら成分のうちの１種又は２種以上を合計で０．００５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、２．０質量％を越えて含有すると、導電率が著しく低下するので好ましくない。したがって、これら成分はこれら成分のうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％に定めた。
この発明のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は、このインゴットを熱間加工する時に割れが発生することがないことから、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金に比べて、歩留まりが著しく向上し、伸銅産業の発達に大きく貢献し得るものである。
実施例
純度：９９．９９％以上の純度を有する電気銅カソードをＡｒガス雰囲気中で溶解して酸素濃度および硫黄濃度を有する高純度極低酸素純銅溶湯を作製し、この溶湯にＮｉ，ＳｉおよびＭｇを添加し、さらに必要に応じてＭｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を添加し、最後にＺｒを添加することにより表１〜３に示される成分組成の本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（以下、本発明銅合金という）１〜３０および比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（以下、比較銅合金という）１〜５からなる溶湯を作製し、得られた溶湯を鋳造して厚み：４０ｍｍ×幅：１００ｍｍの寸法を有する小型の板状インゴットを製造した。
純度：９９．９９％以上の純度を有する電気銅カソードをＡｒガス雰囲気中で溶解して酸素濃度および硫黄濃度を有する高純度極低酸素純銅溶湯を作製し、この溶湯にＮｉ，ＳｉおよびＭｇを添加し、さらに必要に応じてＭｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を添加し、最後にＺｒを添加することにより表１〜３に示される成分組成の本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（以下、本発明銅合金という）１〜３０および比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（以下、比較銅合金という）１〜５からなる溶湯を作製し、得られた溶湯を鋳造して厚み：４０ｍｍ×幅：１００ｍｍの寸法を有する小型の板状インゴットを製造した。
従来例
さらに、純度：９９．９９％以上の純度を有する電気銅カソードを大気雰囲気中で溶解することにより表３に示される従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（以下、従来銅合金という）からなる溶湯を作製し、得られた溶湯を鋳造して厚み：４０ｍｍ×幅：１００ｍｍの寸法を有する板状インゴットを製造した。
さらに、純度：９９．９９％以上の純度を有する電気銅カソードを大気雰囲気中で溶解することにより表３に示される従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金（以下、従来銅合金という）からなる溶湯を作製し、得られた溶湯を鋳造して厚み：４０ｍｍ×幅：１００ｍｍの寸法を有する板状インゴットを製造した。
得られた本発明銅合金１〜３０および比較銅合金１〜５および従来銅合金からなる板状インゴットについて、ＳＥＭ像およびＸ線像により合金素地中のＮｉ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒからなる金属間化合物粒子の有無を測定してその結果を表１〜３に示した。得られた板状インゴットを９００℃、圧下率：２０％で熱間圧延して熱延板を作製し、このとき得られた熱延板端部に割れが発生しているか否かを目視にて観察し、その結果を表１〜３に示した。
表１〜３に示される結果から明らかなように、従来銅合金からなるインゴットを前記の圧下率で熱間加工すると端部に割れが発生するが、本発明銅合金１〜３０からなるインゴットはいずれも端部に割れが発生しないことがわかる。しかし、この発明の条件を外れた比較銅合金１〜５からなるインゴットを熱間加工性すると、割れが発生したり熱間変形抵抗が著しく増大したりするので好ましくないことがわかる。
Claims (4)
- Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金であって、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄の含有量をいずれも０．００１質量％以下に規制した組成を有し、さらに合金素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒの金属間化合物粒子が分散している組織を有することを特徴とする熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金。
- Ｎｉ：１〜５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．５質量％、Ｚｒ：０．００００５〜０．０００９質量％を含有し、さらにＭｎ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐのうちの１種又は２種以上を合計で０．００５〜２．０質量％含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金であって、前記不可避不純物として含まれる酸素および硫黄の含有量をいずれも０．００１質量％以下に規制した組成を有し、さらに合金素地中にＮｉとＳｉとＭｇとＺｒの金属間化合物粒子が分散している組織を有することを特徴とする熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金。
- 請求項１または２記載の熱間加工性に優れたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金からなるインゴット。
- 請求項３記載のインゴットを熱間加工したのち冷間加工して得られた薄板。
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