JP5578991B2

JP5578991B2 - 高強度銅合金線材

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Publication number: JP5578991B2
Application number: JP2010190815A
Authority: JP
Inventors: 秀雄金子; 高橋　　功
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP2012046801A

Description

本発明は、光ピックアップ装置のサスペンションワイヤ等のような用途に好適な、高強度で、応力緩和特性、耐疲労特性に優れた銅合金線材とその製造方法に関する。

従来、光ピックアップ装置のサスペンションワイヤに用いられる線材として、ＣｕにＢｅを添加したベリリウム銅や、ＣｕにＳｎとＰを添加したリン青銅を加工した線材が多く使用されている。
ベリリウム銅線とリン青銅線は、以下の問題点がある。
ベリリウムは環境負荷物質である。そのため製造作業者の衛生・安全上問題が生じる可能性があり、また廃棄処分する場合に環境対策が必要となる。また、リン青銅線と比べ高価である。
一方、リン青銅線はベリリウム銅線に比べ引張強さが低いという問題がある。
ベリリウム銅線代替材として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系の銅合金（特許文献１参照）が、ばね材に好適なものと提案されているが、最大で引張強さは１３００ＭＰａに至らない。
また、同様にベリリウム銅線代替材として、Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ系の銅合金も（特許文献２参照）提案されているが、やはりこれも最大の引張強さで１２００ＭＰａ程度である。
このサスペンションワイヤに要求される特性は、引張強さ（すなわち疲労特性等）および応力緩和特性（応力負荷により変形させた後でも応力を解除すると元の形状（”真直ぐ”を含む）に戻る、という変形し難い特性）に優れることである。
しかし、これまで提案された上記のベリリウム銅線代替材は、専ら導電性を考慮する用途に適用されていたため、引張強さがベリリウム銅線に比べ劣っている。

特許再公表ＷＯ２００３／０７６６７２号公報特開２００６−２９１２７１号公報

したがって本発明は、引張強さおよび応力緩和特性に優れる銅合金線材を提供することである。
さらに詳しくは、本発明はりん青銅線より引張強さが高く、環境負荷物質を含まず、安全性が高く、疲労特性に優れ、かつ応力緩和特性に優れた、ベリリウム銅線に代わりうる、サスペンションワイヤ用線材などの用途に好適な銅合金線材の提供を課題とする。

上記課題は下記の解決手段により解決される。
（１）Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｎを０．２〜１．５ｍａｓｓ％、およびＮｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％含有し、Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有率が３．７ｍａｓｓ％以上で、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅合金であって、引張強さが１３００ＭＰａ以上である、高強度銅合金線材。
（２）（１）の銅合金線材であって、応力緩和特性は、日本伸銅協会技術標準案（ＪＣＢＡ−Ｔ３０９）の片持ちブロック式において、表面最大応力が耐力の８０％の負荷応力で、１５０℃恒温槽に１０００時間保持したときの応力緩和率が２０％以下である、応力緩和特性に優れた高強度銅合金線材。
（３）（１）または（２）の銅合金線材であって、片持ち両振りの繰り返し疲労試験で、負荷応力が６００ＭＰａのとき、３０万回以上の繰り返し疲労試験破断しない耐疲労性を有する、高強度銅合金線材。
（４）銅合金を荒引き線材としたのち溶体化処理とトータル加工度９以上１３以下の伸線加工を行う方法であって、最終断面積に至る中間の各加工処理に引続く中間熱処理を２回以上２００℃以上３５０℃以下で１時間以上施し、最後の中間熱処理後の伸線加工時の加工度を１．４以上３．０以下とし、中間熱処理間の加工度を１．４以上３．０以下として、低温焼鈍硬化を高め、加工硬化と低温焼鈍硬化により引張強さを向上させた（１）〜（３）のいずれか１項に記載の高強度銅合金線材の製造方法。

本発明の銅合金線材は、環境への負荷が懸念されるベリリウムを使用しないため環境に優しく、高強度で疲労特性に優れ、かつ応力緩和特性に優れている。このため、サスペンションワイヤ用の線材として好適である。
本発明の製造方法によれば上記の優れた物性を有する銅合金線材を得ることができる。

合金線材の疲労特性を試験する片持ち両振り試験装置の説明図である。

本発明の好ましい実施形態を説明する。
本発明の銅合金線材中のＳｉの含有量は、銅合金中０．６〜１．２ｍａｓｓ％、好ましくは０．８〜１．２ｍａｓｓ％、より好ましくは１．０〜１．２ｍａｓｓ％である。
Ｓｎの含有量は、０．２〜１．５ｍａｓｓ％、好ましくは０．６〜１．５ｍａｓｓ％、より好ましくは１．１〜１．５ｍａｓｓ％である。
Ｎｉの含有量は、Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有量が３．７ｍａｓｓ％以上となるために必要な量である。Ｎｉの含有量は通常、３．０〜４．５ｍａｓｓ％、好ましくは３．５〜４．５ｍａｓｓ％、より好ましくは４．０〜４．５ｍａｓｓ％である。
Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有量は、３．７ｍａｓｓ％以上、好ましくは３．８〜７．２％、より好ましくは５．０〜７．２ｍａｓｓ％である。
Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎは、後述する加工硬化によって引張強さを向上させる効果がある。
Ｎｉ，Ｓｉ量が少なすぎると加工硬化に影響が小さく、Ｎｉ、Ｓｉ量が上記範囲を超え多すぎると、鋳造工程で、Ｎｉ−Ｓｉの化合物が晶出して、溶体化処理後も晶出物が介在し、加工硬化が十分に発現しない。
Ｓｎは固溶硬化の作用がある。Ｓｎ量が少なすぎるとその効果が不十分であり、多すぎると、加工性が悪く強加工が困難になる。
Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有量は３．７ｍａｓｓ％以上であり、この量が少なすぎると強加工で、加工硬化が飽和する。その上限量は特に制限するものではないが、多すぎると加工限界に達し断線が生ずる場合がある。
次に本発明の銅合金線材の製造方法の好ましい実施形態について説明する。
本発明の銅合金材料は、其材金属としてのＣｕ（マトリクス）中にＮｉ、Ｓｉ、Ｓｎを固溶させ、加工硬化と低温焼鈍硬化を行って製造することができる。
その製造工程は、通常、上記銅合金組成での銅合金の溶解鋳造工程、溶体化工程、熱間押出工程、焼入工程、荒引き線材化工程、溶体化処理工程、伸線加工工程、中間熱処理工程、加工工程、中間焼処理工程、加工工程（中間処理が２回の場合）を有してなる。

次に、より高強度の銅合金線材の得る好ましい実施の態様について、詳細に説明する。
上記の工程で熱間押出し工程後、銅合金材料を、荒引き線材としたのち溶体化処理を施す。このときの溶体化温度は、７００〜９５０℃で１０分以上、より好ましくは８００℃以上９５０℃以下で１０分以上、好ましくは１０分〜３０分間保持する。
溶体化処理された線材を、トータル加工度（荒引き線材工程に付す棒材を溶体化処理工程から最終加工処理までの加工度で規定する。加工度は後述の実施例に示すとおりであるが、トータル加工度とは溶体化処理された線材の加工方向に垂直な断面積をＳ_１、最終伸線加工後の断面積をＳ_２としたとき、η_Ｔ＝ｌｎ（Ｓ_１／Ｓ_２）で得られる値である。）９以上１３以下で、好ましくは１０．３〜１３．０で伸線加工する。トータル加工度が小さすぎると高強度の線材が得られにくく、トータル加工度が１３を越えると、加工硬化が飽和し、低温焼鈍硬化が得られにくくなる。
さらに、加工工程の最終断面積に至る中間に、中間熱処理を２回以上、好ましくは２００℃以上３５０℃以下で１時間以上、より好ましくは２００℃以上３５０℃以下で１時間以上３時間以下保持する。上記の範囲より低すぎる温度では、低温焼鈍硬化が得られず、温度が高すぎると、Ｎｉ−Ｓｉ析出物（Ｎｉ_２Ｓｉ）が僅かに形成され、一時的に引張強さが上昇するが、その後加工硬化し難くなり、２回目以降の中間熱処理で低温焼鈍硬化率が小さくなってしまう。
また、中間熱処理で低温焼鈍硬化を高めるには、最後の中間熱処理後の伸線加工時の加工度を１．４以上３．０以下とする。なお、その他の中間熱処理間の加工度１．４以上３．０以下として、低温焼鈍硬化を繰り返し材料に加え、加工硬化と低温焼鈍硬化を相乗作用させる。更に、中間熱処理で低温焼鈍硬化を高めるには、最終断面積に至る直前に、最終伸線加工度を１．４以上３．０以下とし、引き続きその直前に中間熱処理間を行い、その加工度も１．４以上３．０以下とするのが好ましい。そのため中間熱処理と組み合わせた加工硬化処理を、好ましくは２回以上、より好ましくは２回〜３回行う。すなわち、本発明の銅合金線材は、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系のコルソン系銅合金材料の析出強化型銅合金材料とは異なった、加工硬化と低温焼鈍硬化の相乗効果により引張強さを向上させるものである。
本発明の線材の製造は上述の工程以外は、通常の方法で行うことができる。
本発明により得られる銅合金線材の最終線径はその用途などにより定まり、特に制限するものではないが、通常、直径０．０３ｍｍ〜０．３ｍｍ、好ましくは０．０６ｍｍ〜０．１５ｍｍである。

以下に、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

下記表１に示した組成の銅合金になるように各成分を添加して高周波溶解炉にて溶解し、各ビレットを鋳造した。ビレットを９００℃２時間以上保持したのち熱間押出しして、直ちに水中焼入れを行い溶体化処理を行い、直径５０ｍｍと２０ｍｍの丸棒を得た。
直径５０ｍｍの丸棒については、トータル加工度η_Ｔ＝１４．０、η_Ｔ＝１３．０で伸線加工し、直径２０ｍｍの丸棒については、トータル加工度η_Ｔ＝１０．６、η_Ｔ＝９．０で伸線加工し、各々の線径の線材を得る。この伸線加工工程中で、各線材が最終線径に至る前に、中間熱処理を１回から３回行った。中間熱処理前後の伸線加工については、最終線径に至るまでの加工度と熱処理間の加工度を、η_ｉ＝１．０〜３．６の範囲とした。中間熱処理の熱処理温度は１５０℃〜４００℃の範囲で、不活性ガス雰囲気中で２時間保持した。これらの各工程で得られた線材の引張強さと、応力緩和特性、疲労特性を評価した。
ここで、加工度（熱処理間の加工度）η_ｉとは、一般に加工前の線材の加工方向に垂直な断面積をＳ_０、伸線加工後の断面積をＳとしたとき、η_ｉ＝ｌｎ（Ｓ_０／Ｓ）で得られる値である。また、トータル加工度η_Ｔは、荒引き線材または丸棒（例えば直径２０ｍｍ、直径５０ｍｍなど）を、溶体化処理した加工方向に垂直な断面積をＳ_１、最終伸線加工後の断面積をＳ_２としたとき、η_Ｔ＝ｌｎ（Ｓ_１／Ｓ_２）で得られた値である。
例えば、本発明例１は次のように製造したものである。
溶体化処理後の直径５０ｍｍ丸棒を、最終伸線加工直径０．０７５ｍｍ、トータル加工度η_Ｔ＝１３．０で、最終断面積至る中間の直径０．３ｍｍと直径０．１５ｍｍの中間直径で中間熱処理（３５０℃で２時間）を施し、直径０．３ｍｍから直径０．１５ｍｍの加工度η_ｉ＝１．４と直径０．１５ｍｍから直径０．０７５ｍｍの加工度η_ｉ＝１．４の加工を実施したものである。
引張強さは、ＪＩＳＺ２２４１に準じて３本測定しその平均値（ＭＰａ）を示した。
応力緩和特性は、日本伸銅協会技術標準案（ＪＣＢＡ−Ｔ３０９）の片持ちブロック式を採用し表面最大応力が耐力の８０％となるように負荷応力を設定し、１５０℃恒温槽に１０００時間保持して応力緩和率（ＲＲＲ）を求めた。
疲労特性は、図１の通り、片持ち両振り試験で、負荷応力が６００ＭＰａの場合に線材が破断するまでの回数を試料４本について測定し、その平均の破断回数（万回）求めた。

上記表の結果から明らかなように本発明の合金成分範囲で、本発明の加工範囲で製造した本発明の線材の試料は、引張強さ１３００ＭＰａ以上、応力緩和特性２０％以下、疲労破断回数３０万回以上であった。

これに対し、
比較例の試料Ｎｏ．６９は、Ｎｉ量が少なく、Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有量を満足していない為、引張強さが１３００ＭＰａを満足してない。
比較例の試料Ｎｏ．７０は、Ｓｉが少なすぎで、Ｎｉ量も少なく、Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有量を満足していない為、引張強さが１３００ＭＰａを満足してない。
比較例の試料Ｎｏ．７１は、Ｓｎが少なすぎで、Ｎｉ量も少なく、Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有量を満足していない為、引張強さが１３００ＭＰａを満足してない。
比較例の試料Ｎｏ．７２は、Ｎｉ量が多く途中工程で断線してしまった。
比較例の試料Ｎｏ．７３は、Ｓｉ量が多すぎる為、途中工程で断線してしまった。
比較例の試料Ｎｏ．７４は、Ｓｎ量が多すぎる為、途中工程で断線してしまった。
比較例の試料Ｎｏ．７５は、Ｓｉ量が多すぎ、Ｎｉ量が多めでトータルのＮｉ、Ｓｉ、Ｓｎ量が高い為、途中工程で断線してしまった。

比較例の試料Ｎｏ．７６，７７，７８，７９は、本発明の試料Ｎｏ．１２，２３，４６，４９と合金成分が同一であるが、トータル加工度が低すぎ、引張強さが１３００ＭＰａに満たない。
比較例の試料Ｎｏ．８０，８１，８２，８３は、本発明の試料Ｎｏ．６、１６、２０と合金成分が同一であるが、トータル加工度が大きすぎ、途中工程で断線に至ってしまい評価できなかった。
比較例の試料Ｎｏ．８４，８５，８６，８７は、本発明の試料Ｎｏ．１２，２３，４６，４９と合金成分が同一であるが、中間熱処理温度の1回が温度が低すぎたため、低温焼鈍硬化がなく、引張強さが１３００ＭＰａに満たない。
比較例の試料Ｎｏ．８８，８９，９０，９１は、本発明の試料Ｎｏ．１２，２３，４６，４９と合金成分が同一であるが、中間熱処理温度の１回が温度が高すぎたため、中間熱処理後、引張強さが上昇したが、その後の加工硬化がなく、引張強さが１３００ＭＰａに満たない。
比較例の試料Ｎｏ．９２，９３，９４，９５は、本発明の試料Ｎｏ．１２，２３，４６，４９と合金成分が同一であるが、熱処理間加工度の１回が加工度が低すぎ、熱処理間の加工硬化がなく、引張強さが１３００ＭＰａに満たない。
比較例の試料Ｎｏ．９６，９７，９８，９９は、本発明の試料Ｎｏ．１２，２３，４６，４９と合金成分が同一であるが、熱処理間加工度の１回が加工度が高すぎる為、１回目の中間熱処理後の加工硬化が飽和し、２回目の中間熱処理の低温焼鈍硬化も小さく、最終加工での加工硬化も小さい為、引張強さが１３００ＭＰａに満たない。
比較例の試料Ｎｏ．１００，１０１，１０２，１０３は、本発明の試料Ｎｏ．１２，２３，４６，４９と合金成分が同一であるが、中間熱処理回数が１回の為、低温焼鈍硬化と加工硬化の相乗効果が得られず、引張強さが１３００ＭＰａに満たない。

比較例の試料Ｎｏ．１０４は、市販のベリリウム銅Ｃ１７２０直径１０ｍｍの丸棒をトータル加工度η９．２の伸線加工を行った後時効処理を施し、引張強さ、応力緩和特性、疲労特性調査を行った。引張強さは１５３７ＭＰａ、疲労破断回数６９万回と本発明の試料より、引張強さ、疲労特性とも優れる結果であった。しかし、応力緩和率は、本発明の試料が９〜１８％であるのに対し２６％と大きく、温度と応力がかかった場合、本発明の試料より度変形しやすい。
比較例の試料Ｎｏ．１０５は、市販のリン青銅Ｃ７２７０直径５ｍｍの丸棒をトータル加工度η７．８まで伸線加工した材料の、引張強さ、応力緩和特性、疲労特性調査を行った。引張強さ１１６５ＭＰａ、応力緩和率３１％、疲労破断回数１０万回と、いずれの評価も、本発明より劣るものであった。

１銅合金伸線
２チャック
３銅合金線振幅

Claims

Ｓｉを０．６〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｎを０．２〜１．５ｍａｓｓ％、およびＮｉを３．０〜４．５ｍａｓｓ％含有し、Ｎｉ＋Ｓｉ＋Ｓｎのトータル含有率が３．７ｍａｓｓ％以上で、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅合金であって、引張強さが１３００ＭＰａ以上である、高強度銅合金線材。
請求項１の銅合金線材であって、応力緩和特性は、日本伸銅協会技術標準案（ＪＣＢＡ−Ｔ３０９）の片持ちブロック式において、表面最大応力が耐力の８０％の負荷応力で、１５０℃恒温槽に１０００時間保持したときの応力緩和率が２０％以下である、応力緩和特性に優れた高強度銅合金線材。
請求項１または請求項２の銅合金線材であって、片持ち両振りの繰り返し疲労試験で、負荷応力が６００ＭＰａのとき、３０万回以上破断しない耐疲労特性を有する、高強度銅合金線材。
銅合金を荒引き線材としたのち溶体化処理とトータル加工度９以上１３以下の伸線加工を行う方法であって、最終断面積に至る中間の各加工処理に引続く中間熱処理を２回以上２００℃以上３５０℃以下で１時間以上施し、最後の中間熱処理後の伸線加工時の加工度を１．４以上３．０以下とし、中間熱処理間の加工度を１．４以上３．０以下として、低温焼鈍硬化を高め、加工硬化と低温焼鈍硬化により引張強さを向上させた請求項１〜３のいずれか１項に記載の高強度銅合金線材の製造方法。