JP5098096B2 - 銅合金、端子又はバスバー及び銅合金の製造方法 - Google Patents
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さらに、音叉タイプのJ/Bや端子に使用される場合には、耐応力緩和特性に優れ、かつ耐応力緩和特性の異方性が従来より小さいものが必要であることがわかってきた。
引張強さは、長手方向が圧延方向に平行なJIS 5号引張試験片を用いてJIS Z2241に準拠した引張試験を行って求めた値が採用できる。
「板厚の1/2の曲げ半径で90°曲げを行った際に割れが生じない曲げ加工性」とは、長手方向が圧延方向に対し直角方向の曲げ試験片を用いてJIS H3110に準じた90°曲げ試験を行い、曲げ加工部の曲げ軸に垂直な断面を光学顕微鏡観察したとき、割れが観察されないことをいう。
クリアランス=(パンチとダイの隙間)/(材料の板厚)×100
である。
その金属組織は特に、熱間圧延材または冷間圧延後に熱処理された材料に対し「仕上前冷間圧延→仕上前熱処理→仕上冷間圧延→仕上熱処理」のプロセスにおいて、仕上前熱処理前後における硬さHV値の低下率が20%以下となり、仕上前熱処理後の金属組織において、再結晶組織の面積率が15%以下、かつその再結晶組織の平均結晶粒径が20μm以下となるように処理された組織として特徴付けられる。なお、再結晶組織以外の残部は圧延組織である。
(a−b)/a×100≦20
となることを意味する。
i) 仕上前熱処理前後における硬さHV値の低下率を20%以下に抑えること、
ii) 仕上前熱処理後の金属組織において、再結晶組織の面積率が15%以下、かつその再結晶組織の平均結晶粒径が20μm以下となるようにすること、
が極めて有効であることが明らかになった。
〔Fe〕
Feは、PとFe−P系化合物形成し、またはNi、PとFe−Ni−P系化合物を形成して、導電率、強度、耐熱性の向上に寄与する。ただし、Fe含有量が0.1質量%未満ではその効果は十分でなく、0.3質量%を超えると導電率の低下が大きくなり目標とする値が得られない。したがってFe含有量は0.1〜0.3質量%とする必要がある。0.15〜0.25質量%が一層好ましい。
Niは、Fe、PとFe−Ni−P系化合物を形成して導電率、強度、耐熱性の向上に寄与する他、固溶強化により強度向上に寄与する。ただし、Ni含有量が0.05質量%未満ではその効果が十分でなく、0.3質量%を超えると導電率の低下が大きくなり目標とする値が得られない。したがってNi含有量は0.05〜0.3質量%とする必要がある。0.10〜0.20質量%が一層好ましい。
Pは、FeとFe−P系化合物を形成し、またはFe、NiとFe−Ni−P系化合物を形成して、導電率、強度、耐熱性の向上に寄与する。ただし、P含有量が0.04質量%未満では化合物の形成が不十分となり、十分な効果が得られない。0.2質量%を超えると導電率の低下が大きくなるばかりでなく、鋳造欠陥や熱間割れの発生等、製造面での問題が顕在化する。したがってP含有量は0.05〜0.2質量%とする必要がある。0.06〜0.12質量%が一層好ましい。
Snは、Cuマトリックス中に固溶して強度向上に寄与する。ただし、Sn含有量が0.03質量%未満ではその効果が不十分であり、0.15質量%を超えると導電率の低下が大きく目標とする特性を得られない。このため、Sn含有量は0.03〜0.15質量%とする必要がある。0.05〜0.10質量%が一層好ましい。
本発明では、合金の導電性や、曲げ加工性を低下させる要因をできるだけ排除することが好ましい。そのために、Cu、Fe、Ni、Sn、P以外の元素の合計含有量(不可避的不純物を含む)は0.1質量%以下に抑えることが望ましい。具体的には、Zn、Ti、Al、B、As、Sb、Ag、Pb、Be、Zr、Si、Cr、Mn、Inの含有量を調べ、これらの合計が0.1質量%以下に低減されていれば、これら以外の元素を特段添加しない限りCu、Fe、Ni、Sn、P以外の元素の合計含有量(不可避的不純物を含む)が0.1質量%以下であるとみなして構わない。Cu、Fe、Ni、Sn、P以外の元素の合計含有量(不可避的不純物を含む)は0.05質量%以下であることが一層好ましい。
〔導電率〕
電気・電子部品(特にバスバー)の小型化・高密度化に伴う発熱量増加に対応するため、導電率は70%IACS以上あることが望ましく、73%IACS以上、さらには75%IACS以上であることが一層好ましい。
中継端子レス化に伴う音叉端子の導入により、音叉端子とヒューズ間で安定した接圧を維持するために、バスバーに使用される銅合金には一定以上の強度が必要である。具体的には400N/mm2以上、より好ましくは450N/mm2以上であることが望まれる。
端子やバスバー等に代表される電気・電子部品は、通常銅または銅合金の板条をプレスで打抜いた後、曲げ加工等を施して最終製品に成形する。したがって、曲げ加工によって割れが生じると製品として重大な欠陥を生むことになるため、当該素材には良好な曲げ加工性が要求される。具体的には板厚の1/2の曲げ半径で90°曲げした際に割れが生じなければ実用に供することができるが、昨今の通電部品に対する厳しい要求に余裕を持って対処するためには、曲げ半径0で割れない優れた曲げ加工性を具備することが一層好ましい。
良好なプレス打抜き性を有するためには銅合金をプレスで打抜いた際、打抜いた面の断面形状において破断部分の前述した欠損率が5%以下であればよく、3%以下であることが一層好ましい。この欠損率が5%を超えるような材料だと、例えばバスバーの音叉端子用として使用される場合に、ヒューズとの接触部分となる端面の形状が安定しないため、電気的な接続に信頼性が得られず、J/B等の性能に悪影響を及ぼす。すなわち、プレス打抜き面の平坦性が重要である。また欠損率が5%を超えるような材料だと、打抜きカスの量も多くなり、金型のメンテナンス回数が増える、金型の寿命が短くなるなどのコスト面での問題も顕在化してくる。なお、この欠損率は一般的なクリアランス3〜10%の打抜きにおいて調べることができ、特にクリアランス8%の条件で試験することができる。
打抜き性の改善のためには、圧延方向と板厚方向に平行な断面における結晶粒の平均アスペクト比を10以上、好ましくは15以上にコントロールすることが極めて有効である。応力緩和特性の異方性を低減するためには、前記アスペクト比の最大と最小の比を1.0〜3.0、好ましくは1.0〜2.0、より好ましくは1.0〜1.5にすることが極めて有効である。
〔熱間圧延〕
鋳片を800〜950℃×1〜10h保持したのち抽出して、例えば50〜95%の圧延率で熱間圧延し、その後、急冷(例えば水中浸漬等)を行う方法で実施できる。仕上温度(最終パス終了直後の温度)は500℃以上を維持することが望ましい。
その後、以下の仕上前冷間圧延に供してもよいが、所定の板厚を達成する上で必要があれば中間工程として「冷間圧延→熱処理」の工程を1回または2回以上行ったのち仕上前冷間圧延に供することができる。この場合も、各中間での冷間圧延および熱処理では、それぞれ後述の仕上前冷間圧延および仕上前熱処理と同様の配慮をもって行うことが好ましい。
仕上前冷間圧延では、銅合金中に析出物生成の起点となる格子欠陥を導入する。そのためには50%以上の圧延率を確保することが望ましい。それより圧延率が小さいと続く仕上前熱処理において析出物の生成が十分に促進されず、その結果最終的に所望の導電率を得ることが困難となる。60%以上の圧延率とすることが一層好ましい。圧延率の上限については特に規定する必要はなく、設備面での制約において許容される範囲で行えばよいが、通常、90%以下の範囲で良好な結果が得られる。
この工程では、時効析出を促進させ、本発明の目的とする各特性を付与するための基本的な組織状態を形成する。
発明者らは鋭意研究を重ねた結果、仕上前熱処理後の硬さおよび組織形態とプレス打抜き性に強い相関があることを見出した。すなわち仕上前熱処理前後での硬さの低下率が初期硬さの20%未満であり、かつ仕上前熱処理後の材料における金属組織のうち、再結晶組織の面積率が全体の15%未満であり、さらにその再結晶組織の部分における平均結晶粒径が20μm以下であるとき、その材料に仕上冷間圧延および仕上熱処理を施して得た最終製品において、優れたプレス打抜き性(破断部分の欠損率5%以下)が実現できるのである。仕上前熱処理前後の硬さの低下率は10%以下であることが一層好ましい。また、仕上前熱処理後の再結晶組織における平均結晶粒径は10μmであることが一層好ましい。その再結晶組織の面積率は10%以下であることがより好ましく、7%以下さらには5%以下であることが一層好ましい。
仕上冷間圧延では加工硬化によって強度を向上させるため、30%以上の圧延率を確保することが好ましく、50%以上とすることが一層好ましい。ただし、過剰に高い圧延率とすることは不経済である。通常、80%以下の圧延率で良好な結果が得られる。
仕上熱処理では歪取りを主目的とし、延性の回復つまり曲げ加工性の向上を狙う。250〜750℃×5sec〜10hの範囲で実施できるが、あまり高温、長時間の条件を採用することは不経済となり好ましくない。一般的には350〜600℃×30sec〜2hの範囲で良好な結果が得られる。
引張強さは、JIS Z2201の5号試験片を用いて、JIS Z2241に基づいて圧延方向に平行方向の引張試験を行って求めた。
導電率は、JIS H0505に基づいて測定した。
曲げ加工性は、JIS H3110に準拠して、長手方向が圧延方向に対し直角方向となる幅10mm×長さ60mmの試験片を用いて、曲げ半径Rを板厚の1/2とする90°曲げ試験を行い、加工後の曲げ部について曲げ軸に垂直な断面を金属顕微鏡で観察して割れの有無を調べ、割れが認められなかったものを○(良好)、割れが認められたものを×(不良)として評価した。
応力緩和率R(%)=(Z−X)/(Y−X)×100
ここで、X:加熱試験前のギャップの間隔=0.7mm
Y:挿入タブ厚=0.8mm
Z:加熱試験後のギャップの間隔(mm)
なお、図2(c)、(d)において、挿入タブ厚および加熱試験後のギャップの間隔Zは誇張して描いてある。
これらの結果を表2に示す。
仕上前熱処理前後の硬さはビッカース硬さをJIS Z2244に準拠して測定し、仕上前熱処理前の硬さに対する低下率を求めた。
また、その再結晶組織の面積率は、上記の組織写真を画像解析装置で解析して測定した。
曲げ加工性、プレス打抜き性、引張強さ、導電率、平均アスペクト比、アスペクト比の最大値と最小値の比、応力緩和特性は実施例1と同様の方法で調べた。
結果を表4に示す。
Claims (4)
- 質量%で、Fe:0.1〜0.3%、Ni:0.05〜0.3%、P:0.04〜0.2%、Sn:0.03〜0.15%、Cuと上記元素とを除く元素の合計含有量:0.1%以下、残部Cuからなる組成を有し、導電率70%IACS以上の導電性、引張強さ425〜540N/mm2の強度、板厚の1/2の曲げ半径で90°曲げを行った際に割れが生じない曲げ加工性、プレス打抜きした際の欠損率が5%以下となるプレス打抜き性を具備し、圧延方向と板厚方向に平行な断面における結晶粒について平均アスペクト比(長径/短径)Aが10以上、アスペクト比の最大値A max と最小値A min の比A max /A min が1.0〜3.0である組織を有する銅合金。
- 質量%で、Fe:0.1〜0.3%、Ni:0.05〜0.3%、P:0.04〜0.2%、Sn:0.03〜0.15%、Cuと上記元素とを除く元素の合計含有量:0.1%以下、残部Cuからなる組成を有する銅合金材料に対し「熱間圧延→仕上前冷間圧延→仕上前熱処理→仕上冷間圧延→仕上熱処理」の順に加工・熱処理の各工程を施す方法であって、該仕上前冷間圧延の圧延率が50〜74%、該仕上前熱処理が420〜520℃×5〜16h、該仕上冷間圧延の圧延率が35〜74%、該仕上熱処理が270〜620℃×10sec〜6hであり、該仕上前熱処理前後における硬さHV値の低下率が0〜15%、該仕上前熱処理後の金属組織において、再結晶組織の面積率が0〜13%、かつその再結晶組織の平均結晶粒径が5〜15μmである銅合金の製造方法。
- 前記熱間圧延工程と前記仕上前冷間圧延工程との間において「冷間圧延→熱処理」の工程を1回以上行う、請求項2に記載の製造方法。
- 請求項1に記載の銅合金を用いた端子またはバスバー。
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