JPWO2007148712A1 - 銅基圧延合金及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Ph. Lequeu and J.J. Jonas : Metallugical transactions A,19A(1988),105-120 五弓勇雄、鈴木敬二郎、藤倉潮三、日本金属学会誌、32(1968)、742−747 T.Sakai, SH. Lee and Y. Saito, Proc. LiMAT2001, Busan, Korea(2001), 311-316 T.Sakai, K.Yoneda, Y. Saito, Material Science Forum, 96-402(2002), 309-314 T. Sakai, J. Watanabe, N. Iwamoto and H. Utsunomiya, Journalof the JRICu, Vol. 44 No.1(2005), 73-78
Be、Mg、Al、Si、P、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr及びSnから選択される1種又は2種以上の元素を0.05質量%以上10質量%以下含有する銅基合金組成を有し、圧延面において測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が2.0以上である、銅基圧延合金。
(2)前記元素は、Be、Si、Ti及びNiから選択される1種又は2種以上である、(1)に記載の銅基圧延合金。
(3)Pを不可避不純物濃度以上に含有しない、(1)又は(2)に記載の銅基圧延合金。
(4)前記X線回折強度比が3.0以上である、(1)〜(3)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(5)前記X線回折強度比が4.0以上である、(4)に記載の銅基圧延合金。
(6)前記圧延合金の板厚方向にわたって前記圧延方向から測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が2.0以上である、(1)〜(5)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(7)溶体化処理が施される溶体化処理用である、(1)〜(6)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(8) 溶体化処理可能な温度で5秒〜120分間加熱処理したとき、前記圧延面において測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が60%以上維持される、(7)に記載の銅基圧延合金。
(9)前記X線回折強度比が維持される比率は70%以上である、(8)に記載の銅基圧延合金。
(10) 前記X線回折強度比が維持される比率は75%以上である、請求項(8)に記載の銅基圧延合金。
(11) 溶体化処理済みである、(1)〜(10)のいずれかに記載の銅基圧延合金。(12) 少なくとも前記圧延面において測定した(hkl)面のX線回折強度比を得るための圧延後に溶体化処理されて得られる、(11)に記載の銅基圧延合金。
(13) 前記圧延面において測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が前記溶体化処理後において60%以上維持される、(7)〜(12)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(14) 前記元素を含む金属間化合物の析出物を含む、(1)〜(6)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(15) 析出硬化型合金である、(14)に記載の銅基圧延合金。
(16) 析出硬化処理は200℃以上の析出硬化処理である、(15)に記載の銅基圧延合金。
(17) 析出硬化処理は250℃以上の析出硬化処理である、(15)に記載の銅基圧延合金。
(18) 前記合金の平均結晶粒径が1μm以上50μm以下である、(14)〜(17)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(19) 前記合金の前記平均結晶粒径は20μm以下である、(18)に記載の銅基圧延合金。
(20) 圧延方向と直角方向に90°曲げ加工したときの加工可能な最小曲げ半径Rとその時の板材厚さtとの比R/tが1.0以下である、(14)〜(19)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(21) 引張り強さが500N/mm2以上である、(14)〜(20)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(22) 前記元素はBeを含む、(14)〜(21)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(23) 引張り強さが650N/mm2以上1000N/mm2以下である、(22)に記載の銅基圧延合金。
(24) 前記元素はTiを含む、(14)〜(21)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(25) 引張り強さが700N/mm2以上900N/mm2以下である、(24)に記載の銅基圧延合金。
(26) 前記元素はSi及びNiを含む、(14)〜(21)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(27) 引張り強さが500N/mm2以上750N/mm2以下である、(26)に記載の銅基圧延合金。
(28) 250℃以上550℃以下の温度で少なくとも15分加熱処理したとき、前記圧延面において測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が60%以上維持される、(14)〜(27)のいずれかに記載の銅基圧延合金。
(29) 銅基圧延合金の製造方法であって、
Be、Mg、Al、Si、P、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr及びSnから選択される1種又は2種以上の元素を0.05質量%以上10質量%以下含有する銅基合金組成を有する合金鋳造体を、<111>//ND集合組織を付与するようにせん断変形を伴って圧延する圧延工程と、
前記圧延工程を経た被加工体を700℃以上1000℃以下で溶体化する溶体化処理工程と、
を備える、製造方法。
(30) 前記元素は、Be、Si、Ti及びNiから選択される1種又は2種以上である、(29)に記載の製造方法。
(31) Pを不可避不純物濃度以上に含有しない、(29)又は(30)に記載の製造方法。
(32) 前記圧延工程は、板厚方向にわたって<111>//ND集合組織を付与するように圧延する工程である、(29)〜(31)のいずれかに記載の製造方法。
(33) 前記圧延工程は、摩擦係数μ0.2以上で圧延するステップを含む、(29)〜(32)のいずれかに記載の製造方法。
(34) 前記圧延工程は、下記(1)式で表される相当ひずみεが1.6以上となる圧延条件下で圧延するステップを含む、請求項29〜33のいずれかに記載の製造方法。
ただし、
r:圧下率
θ:圧延前に板表面と垂直であった要素の板厚方向のある位置における圧延後の見かけのせん断角
φ:せん断係数
(35) 前記せん断係数φは、1.2以上2.5以下とする、(34)に記載の製造方法。
(36) 前記圧延工程は、前記合金鋳造体を異周速圧延及び異径ロール圧延から選択されるいずれかによるステップを含む、請求項29〜35のいずれかに記載の製造方法。
(37) 前記圧延工程は、周速比1.2以上2.0以下の条件で異周速圧延を実施するか又は前記周速比範囲となる条件で異径ロール圧延を実施する圧延ステップを含む、(29)〜(36)のいずれかに記載の製造方法。
(38) 前記溶体化処理工程を経た被加工体を時効硬化処理する時効硬化処理工程を備える、(29)〜(37)のいずれかに記載の製造方法。
(39) 前記時効硬化処理工程は、200℃以上550℃以下で時効処理する工程である、(38)に記載の製造方法。
(40) 前記時効硬化処理温度は、250℃以上500℃以下である、(38)に記載の製造方法。
(41) (29)〜(40)のいずれかに記載の銅基圧延合金の製造方法によって得られる、銅基圧延合金。
本発明の銅基圧延合金は、圧延後の溶体化処理前の圧延合金、溶体化処理後の時効硬化処理していない未時効材、溶体化処理後に時効硬化処理した析出硬化型材(ミルハードン材を含む)を含んでいる。なかでも、析出硬化型の銅基合金であることが好ましい。なかでも、200℃以上の高温時効硬化処理が適用される析出硬化型銅基合金であることが好ましい。時効硬化処理温度は250℃以上であることが好ましく、より好ましくは300℃以上である。また、本銅基圧延合金はメッキ等の各種表面処理などが施されていてもよい。
本発明の銅基圧延合金は、Be、Mg、Al、Si、P、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr及びSnから選択される1種又は2種以上の元素を0.05質量%以上10質量%以下含有する銅基合金組成を有している。これらの元素は、それぞれ銅基母相に合金成分として添加して固溶又は金属間化合物を析出させることで、機械的強度、導電性、応力緩和特性、耐熱性、圧延性のいずれかの向上に寄与することができる。これらの合金成分は、それぞれ0.05質量%以上10質量%以下含有されていることが好ましい。この範囲であると小型電子部品や機械部品に用いられるための良好な加工性と強度及び/又は導電性とを備えるからであり、0.05質量%未満であると良好な強度が得られないためであり、10質量%を超えると良好な導電性が得られないからである。
本圧延合金は、すでに説明したように各種態様の圧延合金を含んでいるが、本圧延合金は、溶体化処理前において溶体化処理後も高率で維持される特定の結晶方位特性を有し、溶体化処理後においては、後段の時効硬化処理によっても維持される特定の結晶方位特性を有し、時効硬化処理後においては、時効硬化処理による強度と特定の結晶方位特性に基づく加工性とを兼ね備えることができる。したがって、溶体化処理や高温時効によって高率で結晶方位特性が維持される点において、本合金は溶体化処理後に通常の仕上げ圧延によって<111>//ND集合組織が形成されているものとは相違している。以下、圧延後溶体化処理前、溶体化処理後及び時効硬化処理後の各段階における結晶方位特性について説明する。
圧延後溶体化処理前の本圧延合金は、圧延面においてX線回折により測定したX線回折強度比I(111)/I(200)が2.0以上であることが好ましい。2.0以上であると、プレス加工性に優れることを示す方位の強度I(111)と、同時に立方体方位の強度I(200)を持たないために優れる曲げ加工性の傾向とを先鋭に得られるので、良好な加工性を確保できる。この強度比は、圧延面における[200]面のX線回折積分強度に対する[111]面のX線回折積分強度との比である。圧延面における[200]面の比率は圧延などによって変化しにくいため、この回折強度比は、圧延面における[111]面の割合の指標とすることができる。また、この回折強度比は<111>//ND集合組織の指標であり、板厚方向における<111>//ND集合組織の発達程度と関連している。<111>//ND集合組織が発達している圧延合金によれば、優れた曲げ成形性及びプレス成形性を備えることができる。
溶体化処理後においては、圧延面における上記X線回折強度比は、2.0以上であることが好ましい。2.0以上であると良好な加工性を確保できるからである。3.0以上であることがより好ましい。3.0以上であると、成形性と強度とをバランスよく得ることができるからである。さらに好ましくは4.0以上である。
時効硬化処理後は、本圧延合金組成に従えば、250℃以上500℃以下であることが好ましく、典型的には300℃以上450℃以下とすることができる。こうした時効硬化処理後においては、時効硬化処理前の圧延面におけるX線回折強度比及び圧延面方向からのX線回折強度比はそのまま維持される。これらの時効硬化処理温度は、前述の銅基圧延銅合金の再結晶温度よりも低いだからであり、工業規模で管理可能な時間単位の内においてはそのまま維持される。したがって、本発明の析出硬化型圧延合金は、時効硬化処理による強度と特定の結晶方位特性による良好な加工性とを兼ね備えることができる。時効硬化処理の温度は、例えば、Cu−Be合金においては、300℃で30分が好適である。
X線回折による(111)面の回折強度及び(200)面の回折強度は、X線回折装置において、2θ走査面が試料に垂直で圧延方向(RD)を含むように入射角(θ)でX線を入射させ、2θ走査で検出される{111}面の積分強度と{200}面からの回折線のピークの積分強度をそれぞれ求め、これらの比を算出して評価するものである。通常のX線回折測定法においては、試料面に対してX線の入射角と反射角が等しくなる関係を保つ。このため、実際の装置では、X線発生源である管球が固定され、試料面が入射線に対しθの角度にあるとき、計数管が入射線に対し2θとなるように試料面と計数管が回転する。このとき、通常法においては、測定対象面は、常に試料面に平行な面となる。管球はCu、管電圧は40kV、管電流は200mA、X線侵入深さが約200μmであるため、板厚内部を測定する際は、片面を目標板厚になるまでエッチングすればよい。
本圧延合金の平均結晶粒径は1μm以上50μm以下であることが好ましい。1μm未満であると再結晶はしているものの固溶度に不十分が残るためであり、50μmを超えると固溶度は十分なものの結晶があまりに粗大化してプレス加工性や成形性を阻害するからである。より好ましくは20μm以下である。平均結晶粒径が20μm以下であると、本圧延合金の強度と成形性が向上するからである。好ましくは15μm以下であり、より好ましくは10μm以下である。なお、本圧延合金の平均結晶粒径は、JIS H0501 求積法により測定することができる。既知の面積(普通は5000mm2、例えば円の場合は径79.8mm)の円又は長方形を写真又はピントガラスの上に描き、その面積内に完全に含まれる結晶粒の数と、円又は長方形の周辺で切断される結晶粒の半分との和を全結晶粒数とする。結晶粒度は、結晶粒を正方形と考えて次の式で表す。
d=1/M√(A/n)
n=Z+w/2
ここに、d:結晶粒度(mm)
M:使用倍率
A:測定面積(mm2)
Z:測定面積A内に完全に含まれる結晶粒数
w:周辺部の結晶粒数
n:全結晶粒数
析出硬化型の本圧延合金においては、圧延方向と直角方向に90°曲げ加工したときの加工可能な最小曲げ半径Rとその時の板材厚さtとの比R/tが1.0以下であることが好ましい。R/tが1.0以下であると小型電子部品の成形加工に好適となるからであり、R/tが1.0を超えると中大型の電子部品の成形加工用に限られるからである。より好ましくは0.5以下である。
次に、本銅基圧延合金を製造するのに適した製造方法について説明する。
銅基圧延合金は、予め設定された銅基合金組成に基づいて原料を配合し、溶解・鋳造する。すなわち、合金原料を適切な炉に導入して溶解し、その後、鋳型に注入して凝固させてビレット等を鋳造する。なお、できたビレット等の鋳造体は適宜、適当な寸法への荷重負荷による変形加工を加えてよいし、加工によって硬化したビレット等を再び軟化させる熱処理をその後に加えてもよい。
圧延は、通常、熱間圧延工程と冷間圧延工程とを行う。熱間圧延工程は、特に限定しないで合金組成や得ようとする合金材の形状等に応じた条件を採用すればよい。一方、冷間圧延工程は、せん断変形を伴って圧延するようにすることが好ましい。せん断変形を伴って圧延することで溶体化処理後の維持可能な<111>//ND集合組織を形成することができる。
ただし
r:圧下率
θ:圧延前に板表面と垂直であった要素の板厚方向のある位置における圧延後の 見かけのせん断角
φ:せん断係数
次いで、被加工体の溶体化処理を行う。溶体化は、銅基合金組成中の添加成分を銅に固溶させる処理であり、具体的には被加工体を加熱しその後急冷する処理である。溶体化のための加熱温度は合金組成等によっても異なるが、700℃以上1000℃以下とすることが好ましい。より好ましくは、700℃以上850℃以下である。また、当該温度に維持する時間は、適宜設定できるが、例えば、5秒以上900秒以下の範囲とすることができる。
溶体化後、必要に応じ仕上げ圧延を行うことができる。仕上げ圧延は、潤滑条件下(摩擦係数μ0.2未満、好ましくは0.15以下)で室温近傍で行うことができる。加工率は適宜設定できるが、例えば20%以下とすることができる。さらに、仕上げ圧延後には、適宜曲げ加工などを行うことができる。また、硬化処理は、ミルハードン材を得るための硬化処理と時効硬化処理とがあるが、例えば時効硬化処理は、銅基合金組成に応じ、200℃以上550℃以下で1分以上200分以下とすることができる。また、ミルハードン材のための熱処理は、時効硬化処理条件よりも硬化を抑制した条件で実施することができる。
(試験材の作製)
表1に示す組成に基づき、電気銅(Cu)あるいは無酸素銅(Cu)を主原料として3種類の合金原料を配合し、高周波溶解炉にて真空中またはAr雰囲気中で溶製し、直径80mmのインゴットに鋳造した。インゴットより、厚さ10mm、幅50mmの板材を切り出した。次に、これらの各板材を表2に示す条件で、圧延工程を実施するとともに、温度を変えた溶体化工程を実施し、さらに仕上げ圧延工程及び時効硬化処理を実施し、厚さ0.6mmの板とし、本実施例の試験材1〜12とした。なお、比較例として、圧延工程において無潤滑冷間圧延ステップを行わずに通常の潤滑冷間圧延ステップのみを実施した以外は、実施例と同様に作製した圧延材を比較例の試験材1〜13とした。
実施例1で得られた試験材のうち、実施例の試験材3、7及12について時効硬化処理の条件を表4に示すように、種々変更して試験材3a〜3j、及び試験材7a〜7h及び試験材12a〜12gを作製した。また、比較例の試験材3、8及び13についても同様に、時効硬化処理条件を種々に変更して試験材3a〜3i、及び試験材8a〜8h及び試験材13a〜13gを作製した。これらの各種試験材について、引張り強さと安全曲げ係数R/tを測定した。なお、引張り強さは、JIS Z 2241 金属材料引張試験方法により測定し、安全曲げ係数R/tはJIS Z 2248 金属材料曲げ試験方法(板厚0.6mm,幅10mm)により測定した。実施例及び比較例の試験材についての結果を表5及び表6並びに図3に示す。
(試験材の作製)
実施例1と同様に表1の組成に基づいて実施例1と同様にして試験材を作製した。試験材について、表7に示すせん断係数φ、相当ひずみεが得られるように、周速比、圧下率、及びパス回数を変更する以外は実施例1と同様にして冷間圧延工程を実施するとともに、その後、表7に示す溶体化温度で溶体化処理を60秒間実施して、実施例の試験材10〜120の合計12サンプルを作製した。潤滑条件下で冷間圧延工程を実施する以外は、実施例の試験材10〜120と同様にし、さらに、表7に示す溶体化温度で60秒間溶体化処理を実施して、比較例の試験材1010〜1130の合計13サンプルを作製した。
実施例3で得られた試験材のうち、実施例の試験材30、70及120について時効硬化処理の条件を表8に示すように種々変更して試験材30a〜3j、試験材70a〜70h及び試験材120a〜120gを作製した。また、比較例の試験材1030、1080及び1130についても同様に、表9に示すように時効硬化処理条件を種々に変更して試験材1030a〜1030i、及び試験材1080a〜1080h及び試験材1130a〜1130gを作製した。これらの各種試験材について、実施例2と同様にして引張り強さと安全曲げ係数R/tを測定した。実施例及び比較例の試験材についての結果を表8及び表9に示す。
Claims (11)
- 銅基圧延合金であって、
Be、Mg、Al、Si、P、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr及びSnから選択される1種又は2種以上の元素を0.05質量%以上10質量%以下含有し、Pを不可避不純物濃度以上に含有しない銅基合金組成を有し、前記圧延合金の板厚方向にわたって前記圧延方向から測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が2.0以上である、銅基圧延合金。 - 溶体化処理可能な温度で5秒〜120分間加熱して溶体化処理を施したあとの、前記圧延合金の板厚方向にわたって前記圧延方向から測定した(hkl)面のX線回折強度比I(111)/I(200)が、60%以上維持されている、溶体化処理済みの請求項1に記載の銅基圧延合金。
- 前記元素を含む金属間化合物の析出物を含み、析出硬化処理が施された析出硬化型銅基圧延合金である、請求項1又は2に記載の銅基圧延合金。
- 前記合金の平均結晶粒径は20μm以下であり、引っ張り強さが700N/mm2以上900N/mm2以下のときに、圧延方向と直角方向に90°曲げ加工したときの加工可能な最小曲げ半径Rとその時の板材厚さtとの比R/tが1.0以下である、請求項3に記載の銅基圧延合金。
- 銅基圧延合金の製造方法であって、
Be、Mg、Al、Si、P、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr及びSnから選択される1種又は2種以上の元素を0.05質量%以上10質量%以下含有する銅基合金組成を有し、Pを不可避不純物濃度以上に含有しない合金鋳造体を、<111>//ND集合組織を付与するようにせん断変形を伴って圧延する圧延工程と、
前記圧延工程を経た被加工体を700℃以上1000℃以下で溶体化する溶体化処理工程と、
を備える、製造方法。 - 前記せん断係数φは、1.2以上2.5以下とする、請求項6に記載の製造方法。
- 前記圧延工程は、前記合金鋳造体を異周速圧延及び異径ロール圧延から選択されるいずれかによるステップを含む、請求項5〜7のいずれかに記載の製造方法。
- 前記圧延工程は、周速比1.2以上2.0以下の条件で異周速圧延を実施するか又は前記周速比範囲となる条件で異径ロール圧延を実施する圧延ステップを含む、請求項5〜8のいずれかに記載の製造方法。
- 前記溶体化処理工程を経た被加工体を200℃以上550℃以下で時効硬化処理する時効硬化処理工程を備える、請求項5〜9のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項5〜10のいずれかに記載の銅基圧延合金の製造方法によって得られる、銅基圧延合金。
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