JP6331321B2 - Cu−Zr−Ni合金連続鋳造材、及び、Cu−Zr−Ni合金の製造方法 - Google Patents
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高強度かつ高導電率を有する銅合金としては、例えばCu−Ni−Si系合金、Cu−Zr系合金などの析出硬化型の銅合金や、Cu−Ni−Sn系合金、Cu−Ti系合金などのスピノ―ダル分解型の銅合金が知られている。
しかし、Cu−Zr−Ni合金は、熱間加工や冷間加工において割れが発生し易い材料である。したがって、鋳造後の加工率が低くても、所望の板厚まで薄くできるように、予め鋳造時において板厚を薄くして鋳造することが求められている。
Cu−Zr−Ni合金は、結晶粒が粗大化すると強度が低下するため、結晶粒を微細化することも求められる。
また、Niは鋳造時に結晶粒を微細化する効果を有しており、本発明のCu−Zr−Ni合金連続鋳造材は、このNiを0.1at%以上含有しているので、連続鋳造において結晶粒を微細化し、強度を高めることができる。また、本発明のCu−Zr−Ni合金連続鋳造材は、Niを1.5at%以下含有する構成とされており、Niの添加量が比較的少ないので、時効処理後の導電率を十分に高くすることができる。
また、本発明のCu−Zr−Ni合金連続鋳造材は、鋳造時の板厚が5mm以上とされているので、鋳造後の加工率を高くすることができ、強度を高めることができる。さらに、本発明のCu−Zr−Ni合金連続鋳造材は、連続鋳造時の板厚が20mm以下とされており、板厚が比較的薄く設定されているので、連続鋳造時の冷却速度が十分に速く、連続鋳造時に結晶粒を微細化し強度を高めることができる。
また、Cu−Zr−Ni合金連続鋳造材は、難加工材であり、熱間加工を施したり、高い圧延率の冷間加工を施したりすることが難しいが、本発明のCu−Zr−Ni合金連続鋳造材では、連続鋳造時の板厚が5mm以上20mm以下とされており、最終製品の板厚に近くすることができるので、熱間加工を省略したり、冷間加工の加工率を低めたりしても、板厚を薄くすることができる。したがって、コネクタやリレーなどに使用される薄板のCu−Zr−Ni合金を製造できる。
この場合、200℃以上400℃以下で加工率80%以上95%以下の温間加工が行われている構成とされているので、割れを発生させることなく、確実に温間加工を行うことができる。
この場合、加工率85%以上99.5%以下の冷間加工が行われている構成とされているので、割れを発生させることなく、確実に冷間加工を行い、強度を向上させることができる。
本実施形態であるCu−Zr−Ni合金は、Zrを2.5at%以上4.0at%以下、Niを0.1at%以上1.5at%以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる組成を有している。
そして、このCu−Zr−Ni合金は、連続鋳造によって鋳造されており、連続鋳造時の板厚が5mm以上20mm以下とされ、連続鋳造後の導電率が40%IACS以下とされている。
ここで、上述のように、成分組成、連続鋳造時の板厚、及び連続鋳造後の導電率を規定した理由について、以下に説明する。
Zrは、時効処理によって母相にZr系の析出物を微細に析出することにより、強度を高める作用効果を有する元素である。
Zrの含有量が2.5at%未満の場合、時効処理において析出量が不十分となり、強度の上昇の効果を十分に得られない。また、Zrの含有量が4.0at%超では、導電率が低下してしまう。さらに、Zrの含有量が2.5at%以上4.0at%以下の範囲までは強度の上昇の効果が得られるが、Zrの含有量を4.0at%超にしても、4.0at%の場合以上の強度上昇の効果が得られない。
このような理由により、Zrの含有量は、2.5at%以上4.0at%以下の範囲内に設定されている。ここで、Zrの好ましい含有量は、2.75at%以上3.5at%以下の範囲内である。
Niは、連続鋳造において、母相の結晶粒を微細化する作用効果を有する元素である。
Niの含有量が0.1at%未満の場合、連続鋳造において、母相の結晶粒を微細化する効果が不十分となり、結晶粒が粗大化し、強度が低下する。また、Niの含有量が1.5at%超の場合、導電率が低下してしまう。
このような理由により、Niの含有量は、0.1at%以上1.5at%以下の範囲内に設定されている。ここで、Niの好ましい含有量は、0.5at%以上1.25at%以下の範囲内である。
連続鋳造時の板厚が5mm未満の場合、連続鋳造後の加工率を十分に確保することができず、強度を十分に高くすることができない。また、板厚が20mm超の場合、連続鋳造時において、Cu−Zr−Ni合金の母相の結晶粒が粗大化して、強度が低下してしまう。また、板厚が20mm超の場合、鋳造後の加工率が高くなり、加工材の強度が高くなりすぎて、圧延荷重が過剰に大きくなり製造コストが増加してしまう。
このような理由により、Cu−Zr−Ni合金は、連続鋳造時の板厚が5mm以上20mm以下の範囲内に設定されている。
Cu−Zr−Ni合金は、時効析出強化型の銅合金であり、時効によって強度が向上するため、時効前に添加元素が母相に固溶している必要がある。このCu−Zr−Ni合金は、結晶粒が粗大化すると強度が低下してしまうため、時効処理の前に、高温の熱処理である溶体化処理を行うことはできない。そこで、本実施形態において、Cu−Zr−Ni合金の溶体化は、連続鋳造において同時に行われており、鋳造後の導電率が所定の値以下となるように規定されている。
連続鋳造後の導電率が40%IACS超の場合、溶体化が不十分となり、時効強度が低下してしまう。したがって、連続鋳造後の導電率は40%IACS以下とされている。ここで、連続鋳造後の導電率の好ましい範囲は、37%IACS以下である。
以下に、Cu−Zr−Ni合金の製造方法について説明する。
まず、銅原料を溶解して得られた銅溶湯に、Zr、Niを添加して成分調製を行い、銅合金溶湯を製出する。なお、Zr、Niの添加には、Zr単体及びNi単体やCu−Zr母合金及びCu−Ni母合金などを用いることができる。また、Zr及びNiを含む原料を銅原料とともに溶解しても良い。また、本合金のリサイクル材及びスクラップ材を用いても良い。
銅溶湯は、純度が99.99質量%以上とされたいわゆる4NCuとすることが好ましい。また、溶解工程では、活性元素であるZr及びNiの酸化等を抑制するために、真空炉、あるいは、不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気とされた雰囲気炉を用いることが好ましい。
そして、成分調整された銅合金溶湯を鋳型に注入し、連続鋳造法を用いて鋳塊を製出する。
ここで、連続鋳造で鋳造される鋳塊の板厚を5mm以上20mm以下に設定している。本実施形態においては、この連続鋳造によって、添加元素を母相に固溶させており、鋳造と同時に溶体化が行われている。
なお、鋳塊の冷却速度は、100℃/s以上にすることが好ましい。
次いで、上述の鋳塊に温間圧延(温間加工)を行っても良い。ここで、温間圧延を行う場合、温間圧延の条件を、200℃以上400℃以下、圧延率80%以上95%以下とすることが好ましい。
温間圧延を200℃以上で行うと、材料の変形抵抗が低下し、加工性が良くなるため、圧延時に割れが入りにくくなる。また、温間圧延を400℃以下で行うと、第2相の析出および再結晶の進行を抑制し、強度を高めることができる。
温間圧延の圧延率が80%以上では、鋳塊に対して十分に圧延率が高い圧延を施すことになり、板厚を薄くすることができる。また、温間圧延の圧延率が95%以下では、その後の冷間圧延の圧延率を十分に確保し、最終的に必要な強度を得ることができる。
このような理由により、温間圧延の温度、及び圧延率は、上記の範囲内に設定されている。
次いで、上述の鋳塊または温間圧延材に対して、第一冷間圧延(冷間加工)を行っても良い。ここで、第一冷間圧延を行う場合、冷間圧延の条件を、圧延率80%以上99.5%以下とすることが好ましい。
第一冷間圧延の圧延率が80%以上では、被圧延材の板厚を十分に薄くすることができるとともに、強度を十分に高めることができる。
また、第一冷間圧延の圧延率が99.5%以下では、過剰に圧延率が高くなることがなく、被圧延在に割れが発生することを抑制できる。
このような理由により、第一冷間圧延の圧延率を80%以上99.5%以下の範囲内に設定している。ここで、第一冷間圧延の好ましい圧延率は、85%以上95%以下とされている。
次に、時効処理を実施し、Zr系の析出物を微細に析出させ、時効処理材を製出する。
ここで、時効処理は、例えば250℃以上600℃以下、5s以上24hr以下の条件で行う。本実施形態において、好ましくは、時効後の導電率が45%IACS以上55%IACS以下となるように時効処理が行われている。
なお、時効処理の熱処理方法は、特に限定しないが、非酸化雰囲気で行うことが好ましい。また、熱処理後の冷却方法は、特に限定しないが、空冷もしくは水冷で行うことが好ましい。
次いで、上述の時効処理材に対して、第二冷間圧延を行っても良い。ここで、第二冷間圧延を行う場合、冷間圧延の条件を、50%以下とすることが好ましい。
第二冷間圧延の圧延率が50%以上の場合、時効処理によって第二相が析出しているため、割れが生じるおそれがある。このような理由により、第二冷間圧延の圧延率を50%以下の範囲内に設定している。
以上のようにして、本実施形態であるCu−Zr−Ni合金が製造される。
まず、純度が99.99質量%以上とされた無酸素銅を溶解して得られた銅溶湯に、Zr、Niを添加して、表1に記載の成分となるように成分調製を行い、銅合金溶湯を製出した。
そして、成分調整された銅合金溶湯を鋳型に注入し、連続鋳造法を用いて鋳塊を製出した。ここで、連続鋳造で鋳造される鋳塊の板厚は、表1に示す板厚とし、鋳塊の幅は、100mmとした。この連続鋳造後の鋳塊の導電率を測定した。
次に、上述の冷間圧延材に対して、時効処理として、550℃で45sの熱処理を行い、時効処理材を得た。そして、この時効処理材の導電率を測定した。
次いで、時効処理材に対して、板厚が0.10mmとなるように第二冷間圧延を行った。
このようにして、本発明例1〜7、比較例1〜6のCu−Zr−Ni合金(特性評価用条材)を製造した。そして、製造されたCu−Zr−Ni合金に対して、引張強さを測定した。
以下に、導電率の測定方法、及び引張強さの測定方法について説明する。
特性評価用条材から幅10mm×長さ60mmの試験片を採取し、4端子法によって電気抵抗を求めた。また、マイクロメータを用いて試験片の寸法測定を行い、試験片の体積を算出した。そして、測定した電気抵抗値と体積とから、導電率を算出した。なお、試験片は、その長手方向が特性評価用条材の圧延方向に対して平行になるように採取した。
(引張強さの測定方法)
特性評価用条材からJIS Z 2241に規定される13B号試験片を採取し、引張強度と、オフセット法により、0.2%耐力を測定した。なお、試験片は、圧延方向に平行な方向で採取した。以上の評価の結果を表1に示す。
一方、比較例1は、鋳造後の板厚が本発明の範囲よりも薄く、温間圧延の加工率が低いために、本発明例と比較して強度が低下した。
また、比較例2は、鋳造後の板厚が本発明の範囲よりも厚く、鋳造後の導電率が高過ぎるため、本発明例と比較して強度が低下した。
また、比較例3、5は、Zr又はNiの含有量が本発明の範囲よりも少ないため、本発明例と比較して強度が低下した。
また、比較例4、6は、Zr又はNiの含有量が本発明の範囲よりも多いため、本発明例と比較して時効後の導電率及び強度が低下した。
Claims (4)
- Zrを2.5at%以上4.0at%以下、Niを0.1at%以上1.5at%以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、
板厚が5mm以上20mm以下とされ、導電率が40%IACS以下とされていることを特徴とするCu−Zr−Ni合金連続鋳造材。 - Zrを2.5at%以上4.0at%以下、Niを0.1at%以上1.5at%以下含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅溶湯を得る溶解工程と、
上述の銅溶湯を連続鋳造して、板厚が5mm以上20mm以下とされ、導電率が40%IACS以下とされた連続鋳造材を得る鋳造工程と、
前記連続鋳造材に対して、200℃以上400℃以下で加工率80%以上95%以下の温間加工を行う温間加工工程と、
前記温間加工工程の後に、熱処理を行ってZr系の析出物を析出させ、導電率を45%IACS以上55%IACS以下とする時効処理工程と、
を備えていることを特徴とするCu−Zr−Ni合金の製造方法。 - 前記温間加工工程の後、かつ、前記時効処理工程の前に、加工率85%以上99.5%以下の冷間加工を行う冷間加工工程を備えていることを特徴とする請求項2に記載のCu−Zr−Ni合金の製造方法。
- 前記時効処理工程の後に、加工率50%以下の冷間加工を行う第二冷間加工工程を備えていることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のCu−Zr−Ni合金の製造方法。
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