JPWO2015046459A1 - 銅合金および銅合金板 - Google Patents

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Abstract

本発明の銅合金は、18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、17≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、14≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦26、8≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦23、1.3≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、1.5≦〔Ni〕/〔Sn〕≦5.5、20≦〔Ni〕/〔P〕≦400、の関係を有しており、α単相である金属組織を有している。

Description

本発明は、黄銅色を呈するとともに良好な耐応力腐食割れ性、および、耐変色性を有し、応力緩和特性に優れた銅合金、及びこの銅合金からなる銅合金板に関する。
本願は、2013年9月26日に、日本に出願された特願2013−199475号、及び2014年2月28日に、日本に出願された特願2014−039678号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、Cu−Zn等の銅合金は、電気・電子機器等の構成部品であるコネクタ、端子、リレー、ばね、スイッチや、建築資材、日用品、機械部品等の各種用途に使用されている。コネクタ、端子、リレー、ばね等は、銅合金素材がそのまま使用されることもあるが、変色や応力腐食割れなどの腐食問題により、SnやNi等のめっきが施されている場合がある。また、手すり、ドアハンドルなどの装飾・建築用金具・部材、医療用器具等の用途においても、変色しにくいことが要求されており、その要求に対処するために、銅合金製品にニッケル・クロムめっきなどのめっき処理、あるいは、樹脂、クリア塗装などを施して、銅合金表面を被覆している。
しかし、めっき製品は、長期間の使用により表面のめっき層が剥離してしまう。また、安価に大量のコネクタ、端子等の製品を作る場合、予めその素材となる板製造工程内で、板表面をSnやNi等のめっきが施され、その板材を打ち抜いて使用されることがある。打ち抜かれた面は、めっきが無いために変色や応力腐食割れが生じやすくなる。さらに、めっき等によってSnやNiを含むと、銅合金のリサイクルが困難となる。また、塗装製品は、経年により色調が変化するとともに、塗装皮膜が剥離するという問題を有している。そして、めっき製品および塗装製品は、銅合金のもつ抗菌性(殺菌性)を損ねてしまう。以上のことから、耐変色性、耐応力腐食割れに優れ、めっきを形成せずに使用可能な銅合金が要望される。
端子・コネクタや手すり等で想定される使用環境として、例えば、高温や多湿の室内環境、アンモニア、アミン等の窒素化合物を微量含む応力腐食割れ環境、そして、炎天下での自動車室内やエンジンルームに近い部分で使用されるときの約100℃に達する高温環境などが挙げられる。これらの環境に耐えるためには、耐変色性、耐応力腐食割れ性が良いことが望まれる。変色性は、外観上だけでなく、銅の持つ抗菌性や、通電性に大きな影響を与える。手すり、ドアハンドルなどや、めっきを施さないコネクタ・端子、或いは、打ち抜き端面が露出しているコネクタ・端子、ドアハンドルなどが多用されており、優れた耐変色性、耐応力腐食割れ性を有する銅合金材料が必要である。一方、高い材料強度は、材料の薄肉化を求められる場合に必要であり、端子やコネクタに使用される時、高い接触圧を得るために必要である。その高い材料強度は、端子、コネクタ、リレー、ばね等に使用される時、常温で材料の弾性限以下の応力で利用される。しかしながら、それが使用環境の温度が上がるに従って、例えば、90℃〜150℃に温度が上がると、銅合金は永久変形してしまい、所定の接触圧が得られなくなる。高い強度を活かすためにも、高温で永久変形が小さいことが望まれ、高温での永久変形の尺度として用いられる応力緩和特性に優れることが望まれる。
また、電気,電子,自動車部品、通信,電子・電気機器等に使用されるコネクタ、端子、リレー、ばね、スイッチ等の構成材として、高導電で、高強度を有する銅合金が使用されている。しかしながら、近年のかかる機器の小型化,軽量化,高性能化に伴って、それらに使用される構成材料にも、極めて厳しい特性改善や、種々の使用環境に対応できることが要求されていると共に、優れたコストパフォーマンスが要求されている。例えば、コネクタのバネ接点部には薄板が使用されるが、かかる薄板を構成する高強度銅合金には、薄肉化を図るために、高い強度や、強度と伸びまたは曲げ加工性との高度なバランス、使用環境に耐え得るための耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性を有することが要求されている。更に、高い生産性と、特に、貴金属である銅の使用を最小限に抑え、コストパフォーマンスに優れることが要求されている。
高強度銅合金としては、Cuと、5mass%以上のSnと、少量のPを含有するりん青銅、Cu−Zn合金に10〜18mass%のNiを含む洋白がある。汎用のコストパフォーマンスに優れた高導電率、高強度銅合金としては、一般に、CuとZnの合金である黄銅が周知である。
また、例えば特許文献1には、高強度の要請を満たすための合金として、Cu−Zn−Sn合金が開示されている。
特開2007−056365号公報
しかしながら、上述のりん青銅、洋白、黄銅のような一般的な高強度銅合金には次のような問題があり、上記した要求に応えることができなかった。
りん青銅、洋白は、熱間加工性が悪く、熱間圧延による製造が難しいため、一般に横型連続鋳造により製造される。したがって、生産性が悪く、エネルギーコストが高く、歩留りも悪い。また、高強度の代表品種であるりん青銅や洋白には、貴金属である銅を多量に含有しており、又は、銅より高価なSn,Niを多量に含有しているので経済性に問題がある。また、これら合金の比重が、いずれも約8.8と高いので、軽量化にも問題がある。さらに、強度と導電率は、相反する特性であり、強度が向上すれば、一般に導電率は下がる。10mass%以上のNiを含有する洋白や、Znを含有せずにSnを5mass%以上含有するりん青銅は、高い強度を備える。しかしながら、導電率は、洋白で10%IACS未満、りん青銅は、16%IACS未満であり導電率が低く、使用上問題となる。
黄銅合金の主要元素であるZnは、Cuに比べ安価であり、Znを含有することにより、密度が小さくなり、強度、すなわち引張強さ、耐力または降伏応力、ばね限界値、疲労強度が高くなる。
一方、黄銅は、Zn含有量を増すに従って、耐応力腐食割れ性が悪くなり、Zn含有量が、15mass%を超えると問題が生じ始め、20mass%を超え、25mass%を超えるにしたがって、耐応力腐食割れ性が悪くなり、30mass%にもなると、応力腐食割れ感受性が非常に高くなり、深刻な問題となる。耐熱性を示す応力緩和特性は、Zn添加量を5〜15mass%にすると一旦向上するが、Zn含有量が20mass%を超えるにしたがって急激に悪くなり、特に、25mass%、または、25mass%以上になると、応力緩和特性は非常に乏しいものとなる。そして、Zn含有量が増すに従って、強度は向上するものの、延性、曲げ加工性が悪くなり、強度と延性のバランスが悪くなる。また、耐変色性は、Zn含有量に関わらず乏しく、使用環境が悪いと、褐色、或いは赤色に変色する。
以上から、従来の黄銅は、コストパフォーマンスに優れるものの、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性、強度・延性バランス、耐変色性の観点から、小型化,高性能化を図る電子・電気機器、自動車の構成材、ドアハンドル等の装飾部材や建築部材として、適切な銅合金とは言い難い。
したがって、りん青銅、洋白、黄銅といった従来からある高強度銅合金は、コストパフォーマンスに優れ、様々な使用環境に適合し、一部でめっきが省略でき、小型化,軽量化,高性能化される傾向にある電子・電気、自動車を始めとする各種機器の部品構成材、装飾・建築用部材としては到底満足できるものではなく、新たな高強度銅合金の開発が強く要請されている。
また、特許文献1に記載されたCu−Zn−Sn合金においても、強度を含む諸特性は十分でなかった。
本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、従来の黄銅の長所である、コストパフォーマンスに優れ、密度が小さく、りん青銅や洋白を上回る導電性を有し、高い強度と伸び・曲げ加工性と導電率のバランスと、応力緩和特性に優れ、耐応力腐食割れ性、耐変色性、抗菌性に優れた、様々な使用環境に対応した銅合金、および、この銅合金からなる銅合金板を提供することを課題とする。
本発明者は、上記課題を解決するため、様々な角度から検討を重ね、種々の研究、実験を重ねたところ、18mass%以上、30mass%以下の高濃度のZnを含むCu−Zn合金に、まずNiとSnを適正量添加する。同時に、NiとSnの相互作用を最適化するために、NiとSnの合計含有量、及び含有量の比率を適正な範囲内とする。さらに、ZnとNiとSnの相互作用を鑑み、3つの関係式、f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕、f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕、および、f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕を同時に適正値とするように、Zn、Ni、Snを調整し、かつP量とNi量と適正な範囲内の含有比率とする。また、マトリックスの金属組織を実質的にα相の単相とし、α相の結晶粒径を適正に調整する。これらにより、コストパフォーマンスに優れ、密度が小さく、高い強度と伸び・曲げ加工性と導電率のバランスと、応力緩和特性に優れ、耐応力腐食割れ性、耐変色性に優れ、様々な使用環境に対応できる銅合金を見出し、本発明を成すに至った。
具体的には、適量のZn、Ni、Snをマトリックスに固溶させ、Pを含有することにより、延性、曲げ加工性を損なわずに、高い強度を得る。そして、原子価が4価のSn(価電子数が4、以下同様)、2価のZn、Niと、5価のPの共添加により、耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性を良くし、同時に、合金の積層欠陥エネルギーを低くさせ、再結晶時の結晶粒を微細にする。また、Pの添加は、再結晶粒を微細なまま維持させる効果があり、NiとPを主体とする微細な化合物を形成することによって結晶粒成長を抑制し、結晶粒を微細なままに維持する。
CuにZn、Ni、Snの各元素を固溶させることによって、耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性を良くする。また、延性、曲げ加工性を損なわずに、強度を向上させるためには、Zn、Ni,Snの各元素の性質を始め、種々の観点から、元素間の相互作用を考慮にいれる必要がある。すなわち、単に18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnを範囲内に各元素を含有させるだけでは、耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性を良くし、延性、曲げ加工性を損なわずに、高い強度を必ずしも得ることはできない。
そこで、17≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30と、14≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦26と、8≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦23と、の3つの関係式を満たすことが必要である。
関係式f1、f2の下限の値、f3の上限値は、Zn、Ni、Snの各元素の相互作用を考慮した場合であっても、高い強度を得るための最低の必要値である。一方、関係式f1、f2が上限値を超えると、或いは、f3の下限値を下回ると、強度は高くなるものの、延性、曲げ加工性が損なわれ、応力緩和特性または耐応力腐食割れ性が悪くなる。
関係式f1:〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕の上限の値は、本発明合金の金属組織が、実質的にα相だけになるかどうかの値であり、延性、曲げ加工性が良好な境界の値である。Cuと18〜30mass%のZnの合金に、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnを含有させると、β相、γ相が、非平衡状態で存在することがある。β相、γ相が存在すると、延性、曲げ加工性を損なうと共に、耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性を悪くする。
なお、実質的にα単相は、溶解時に生じる酸化物などの非金属介在物、晶出物、析出物などの金属間化合物を除いて、アンモニア水と過酸化水素の混合液を用いてエッチングし、倍率300倍の金属顕微鏡で金属組織を観察した時、マトリックス中にβ相、γ相が明瞭に観察されないことである。なお、金属顕微鏡で観察した時、α相は薄い黄色、β相はα相より濃い黄色、γ相は水色、酸化物、非金属介在物は灰色、金属化合物はγ相より青みを帯びた水色、若しくは青色に見える。本発明において、実質的にα単相であることは、酸化物を含む非金属介在物、析出物や晶出物等の金属間化合物を除き、倍率300倍の金属顕微鏡で金属組織を観察した時、金属組織中に、α相の占める割合が100%であることを示す。
関係式f2:〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕の上限の値は、良好な耐応力腐食割れ性と延性、曲げ加工性を得るための境界値である。前記のとおり、Cu−Zn合金の致命的な欠点として、応力腐食割れの感受性が高いことであるが、Cu−Zn合金の場合、応力腐食割れの感受性は、Znの含有量に依存し、Zn含有量が25mass%或いは26mass%を超えると、特に応力腐食割れの感受性が高くなる。関係式f2の上限の値は、Zn含有量が25mass%或いは26mass%に相当し、応力腐食割れの境界値でもあり、同時に、延性、曲げ加工性を得るための境界値でもある。
関係式f3:{f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕の下限の値は、良好な応力緩和性を得るための境界の値である。前記のとおりCu−Zn合金は、コストパフォーマンスに優れた合金であるが、応力緩和特性が乏しく、高い強度を有しても、高強度を活かすことができなかった。Cu−Zn合金の応力緩和を向上させる為には、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnを共添加させることがまず第1の条件であり、NiとSnの合計の含有量、そして、NiとSnの含有量比率が重要である。詳細は、後述するが、Sn原子、1つに対し、Ni原子が少なくとも3つ以上が必要である。そして、金属組織の状態を表す、Znの含有量を調整する本関係式:f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕と、(32−f1)の積の1/2乗とNiとの積が下限の値以上であるとき、初めて応力緩和特性が向上する。
Cu−Zn合金の応力緩和特性を向上させるためには、上記の限定では、まだ不十分で、Pの含有が必要であり、かつ、NiとPの含有比率を満たすことが重要である。
Cu−Zn合金の耐変色性を向上させるためには、前記のNiとSnの含有量比率とともに、NiとSnの合計含有量が所定以上で発揮することを見出した。
本発明の第1の態様である銅合金は、18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、Znの含有量〔Zn〕mass%と、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量[Ni]mass%との間に、
17≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、
14≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦26、
8≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦23、
の関係を有するとともに、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量〔Ni〕mass%との間に、
1.3≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、
1.5≦〔Ni〕/〔Sn〕≦5.5、
の関係を有し、Niの含有量〔Ni〕mass%と、Pの含有量〔P〕mass%との間に、
20≦〔Ni〕/〔P〕≦400、
の関係を有しており、α単相である金属組織を有している。
本発明の第2の態様である銅合金は、19〜29mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.3〜1mass%のSnと、0.005〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、Znの含有量〔Zn〕mass%と、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量[Ni]mass%との間に、
18≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、
15≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦25.5、
9≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦22、
の関係を有するとともに、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量〔Ni〕mass%との間に、
1.4≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、
1.7≦〔Ni〕/〔Sn〕≦4.5、
の関係を有し、Niの含有量〔Ni〕mass%と、Pの含有量〔P〕mass%との間に、
22≦〔Ni〕/〔P〕≦220、
の関係を有しており、α単相である金属組織を有している。
本発明の第3の態様である銅合金は、18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有するとともに、Al、Fe、Co、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素から選択される少なくとも1種または2種以上を、各々0.0005mass%以上0.05mass%以下、かつ、合計で0.0005mass%以上0.2mass%以下含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、Znの含有量〔Zn〕mass%と、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量[Ni]mass%との間に、
17≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、
14≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦26、
8≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦23、
の関係を有するとともに、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量〔Ni〕mass%との間に、
1.3≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、
1.5≦〔Ni〕/〔Sn〕≦5.5、
の関係を有し、Niの含有量〔Ni〕mass%と、Pの含有量〔P〕mass%との間に、
20≦〔Ni〕/〔P〕≦400、
の関係を有しており、α単相である金属組織を有している。
本発明の第4の態様である銅合金は、上述した第1〜3の態様の銅合金において、導電率が18%IACS以上27%IACS以下であり、平均結晶粒径が2〜12μmとされ、円形又は楕円形の析出物が存在し、該析出物の平均粒子径が3〜180nm、又は、該析出物の内で粒子径が3〜180nmの析出物が占める個数の割合が70%以上である。
本発明の第5の態様である銅合金は、上述した第1〜4の態様の銅合金において、コネクタ、端子、リレー、スイッチ等電子・電気機器部品に用いられる。
本発明の第6の態様である銅合金板は、上述した第1〜5の態様の銅合金からなり、前記銅合金を、鋳造する鋳造工程と、熱間圧延加工する熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程で得られる圧延材を、冷間加工率40%以上で冷間圧延加工する冷間圧延工程と、前記冷間圧延工程で得られる圧延材を、連続熱処理炉を用い、連続焼鈍法で、圧延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で、再結晶処理する再結晶熱処理工程と、を含む製造工程によって製造される。なお、銅合金板の板厚によっては、前記熱間圧延工程と前記冷間圧延工程との間に対となる冷間圧延工程とバッチ焼鈍を含む焼鈍工程とを1回又は複数回行ってもよい。
本発明の第7の態様である銅合金板は、上述した第6の態様である銅合金板からなり、前記製造工程は、前記再結晶熱処理工程で得られる圧延材を仕上げ冷間圧延加工する仕上げ冷間圧延工程と、前記仕上げ冷間圧延工程で得られる圧延材を回復熱処理する回復熱処理工程をさらに有し、前記回復熱処理工程では、連続熱処理炉を用い、圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で、回復熱処理を行う。
本発明の第8の態様である銅合金板の製造方法は、上述した第1〜5の態様である銅合金からなる銅合金板であって、鋳造工程と、対となる冷間圧延工程と焼鈍工程と、冷間圧延工程と、再結晶熱処理工程と、仕上げ冷間圧延工程と、回復熱処理工程と、を含み、銅合金または圧延材を熱間加工する工程を含まず、前記冷間圧延工程と前記再結晶処理工程との組み合わせ、及び、前記仕上げ冷間圧延工程と前記回復熱処理工程との組み合わせ、のいずれか一方、又は両方を行う構成とされており、前記再結晶熱処理工程は、連続熱処理炉を用い、延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で行われ、前記回復熱処理工程は、仕上げ冷間圧延後の銅合金材料を、連続熱処理炉を用い、圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で回復熱処理する。
本発明によれば、コストパフォーマンスに優れ、密度が小さく、りん青銅や洋白を上回る導電性を有し、高い強度と伸び・曲げ加工性と導電率のバランスと、応力緩和特性に優れ、耐応力腐食割れ性、耐変色性、抗菌性に優れた、様々な使用環境に対応した銅合金およびこの銅合金からなる銅合金板を提供することが可能となる。
以下に、本発明の実施形態に係る銅合金及び銅合金板について説明する。なお、本明細書では、〔Zn〕のように括弧付の元素記号は当該元素の含有量(mass%)を示すものとする。なお、Co、Fe等の有効添加元素、および不可避不純物もそれぞれの不可避不純物の含有量では、銅合金板の特性への影響が少ないので、後述するそれぞれの計算式に含めていない。さらに、例えば、0.005質量%未満のCrは不可避不純物としている。
そして、本実施形態では、この含有量の表示方法を用いて、以下のように、複数の組成関係式を規定している。
組成関係式f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕
組成関係式f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕
組成関係式f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕
組成関係式f4=〔Ni〕+〔Sn〕
組成関係式f5=〔Ni〕/〔Sn〕
組成関係式f6=〔Ni〕/〔P〕
本発明の第1の実施形態に係る銅合金は、18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、組成関係式f1が17≦f1≦30の範囲内、組成関係式f2が14≦f2≦26の範囲内、組成関係式f3が8≦f3≦23の範囲内、組成関係式f4が1.3≦f4≦2.4の範囲内、組成関係式f5が1.5≦f5≦5.5の範囲内、組成関係式f6が20≦f6≦400の範囲内とされている。
本発明の第2の実施形態に係る銅合金は、19〜29mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.3〜1mass%のSnと、0.005〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、組成関係式f1が18≦f1≦30の範囲内、組成関係式f2が15≦f2≦25.5の範囲内、組成関係式f3が9≦f3≦22の範囲内、組成関係式f4が1.4≦f4≦2.4の範囲内、組成関係式f5が1.7≦f5≦4.5の範囲内、組成関係式f6が22≦f6≦220の範囲内とされている。
本発明の第3の実施形態に係る銅合金は、18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有するとともに、Al、Fe、Co、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素から選択される少なくとも1種または2種以上を、各々0.0005mass%以上0.05mass%以下、かつ、合計で0.0005mass%以上0.2mass%以下含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、組成関係式f1が17≦f1≦30の範囲内、組成関係式f2が14≦f2≦26の範囲内、組成関係式f3が8≦f3≦23の範囲内、組成関係式f4が1.3≦f4≦2.4の範囲内、組成関係式f5が1.5≦f5≦5.5の範囲内、組成関係式f6が20≦f6≦400の範囲内とされている。
そして、上述した本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金においては、α単相である金属組織を有している。
また、本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金においては、好ましくは、平均結晶粒径が2〜12μmとされ、円形又は楕円形の析出物が存在し、該析出物の平均粒子径が3〜180nm、又は、該析出物の内で粒子径が3〜180nmの析出物が占める個数の割合が70%以上とされている。
さらに、本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金においては、好ましくは、導電率が18%IACS以上27%IACS以下とされている。
また、本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金においては、強度、応力緩和特性について後述するように規定されることが好ましい。
以下に、成分組成、組成関係式f1、f2、f3、f4、f5、f6、金属組織、特性を、上述のように規定した理由について説明する。
(Zn)
Znは、本合金の主要元素であり、本発明の課題を克服するためには、少なくとも18mass%以上必要である。コストを低くするために、純銅より本発明合金の密度を約3%以上、りん青銅や洋白より本発明合金の密度を約2%以上小さくする。また、引張強さ、耐力、降伏応力、ばね性、疲労強度などの強度を向上させ、かつ、耐変色性を向上させ、そして、微細な結晶粒を得るためにZn含有量は18mass%以上必要である。より効果的なものにするためには、Zn含有量の下限が好ましくは、19mass%以上、または20mass%以上であり、更に好ましくは、23mass%以上である。
一方、Zn含有量が、30mass%を超えると、後述する本願組成範囲内で、Ni、Sn等を含有させても、良好な応力緩和特性、応力腐食割れ性を得ることができず、導電性も悪くなり、延性、曲げ加工性も悪くなり、強度の向上も飽和する。より好ましくは、Zn含有量の上限が29mass%以下であり、更に好ましくは28.5mass%以下である。
なお、従来から、19mass%以上或いは23mass%以上のZnを含有した銅合金であって、応力緩和特性、耐変色性に優れ、かつ強度、耐食性、導電性が良好な銅合金は見当たらない。
(Ni)
Niは、本発明合金の耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性、耐熱性、延性や曲げ加工性、強度と延性、曲げ加工性のバランスを向上させるために含有させる。特にZn含有量が19mass%以上或いは23mass%以上の高濃度の時、上述の特性はより効果的に働く。これらの効果を発揮させるためには、Niは1mass%以上の含有が必要であり、好ましくは1.1mass%以上であり、Sn、Pとの組成比の関係、及び6つの組成関係式(f1、f2、f3、f4、f5、f6)を少なくとも満たすことが必要である。特にNiは、後述するSnの特長を活かし、さらに単独のSnの含有以上にSnの特長を活かし、かつ、Snの金属組織上の問題点を克服するために必要である。一方、1.5mass%を超えるNiの含有は、コストアップに繋がり、導電率も低くなるので、1.5mass%以下とした。
(Sn)
Snは、本発明合金の強度、そしてNi,Pとの共添加により、耐変色性、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性、強度と延性・曲げ加工性のバランスを向上させ、再結晶時の結晶粒を微細にするために含有させる。これらの効果を発揮させるためには、0.2mass%以上のSnの含有が必要であり、同時にNi,Pの含有、及び、6つの関係式(f1、f2、f3、f4、f5、f6)を満たすことが必要である。これらにより、Snの特徴を最大限に活かすことができる。それらの効果をより顕著なものにするためには、Sn含有量の下限が好ましくは0.25mass%以上であり、より好ましくは0.3mass%以上である。一方、Snを1mass%以上含有しても、耐応力腐食割れ性、応力緩和特性の効果が飽和するどころか悪くなり、延性・曲げ加工性が悪くなる。特に、Zn濃度が25mass%以上の高濃度の時、実施上、β相やγ相が残留し易くなる。好ましくは、Sn含有量の上限が0.9mass%以下である。
(P)
Pは、Niの含有と相まって、応力緩和特性を向上させ、応力腐食割れ感受性を低くし、耐変色性の向上に効果があり、結晶粒を細かくすることができる。そのためには、P含有量は少なくとも0.003mass%以上必要である。応力緩和特性を向上させ、応力腐食割れ感受性を低くし、耐変色性の向上させるために、固溶状態にあるPの適切な量、適切な量のNiとPの析出物が必要なことから、P含有量の下限は、0.005mass%以上が好ましく、より好ましくは0.008mass%以上、さらに好ましくは0.01mass%以上である。一方、0.06mass%を超えても、上記効果は飽和し、PとNiを主体とする析出物が多くなり、析出物の粒径も大きくなり、曲げ加工性が低下する。P含有量の上限は、0.05mass%以下が好ましい。なお、後述するNiとPの比(組成関係式f6)が、応力緩和特性を向上させ、応力腐食割れ感受性低くするために重要であり、固溶状態にあるNi、Pと、NiとPの析出物のバランスも、重要である。
(Al、Fe、Co、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素から選択される少なくとも1種または2種)
Al、Fe、Co、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素といった元素は、各種特性を向上させる作用効果を有する。そこで、第3の実施形態の銅合金においては、これらの元素を含有するものとされている。
ここで、Fe、Co、Al、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素は、合金の結晶粒を微細にする。Fe、Co、Al、Mg、Mn、Ti、Zrは、PまたはNiともに化合物を形成し、焼鈍時の再結晶粒の成長を抑制し、結晶粒微細化の効果が大きい。特にFe、Coは、その効果が大きく、FeまたはCoを含有したNiとPの化合物を形成し、化合物の粒径を微細にする。微細な化合物は、焼鈍時の再結晶粒の大きさを一層微細にし、強度を向上させる。ただし、その効果が過剰になると、曲げ加工性、応力緩和特性を損なう。さらにAl、Sb、Asは、合金の耐変色性を向上させる効果を有し、Pbは、プレス成形性を向上させる効果を有する。
これらの効果を発揮するには、Fe、Co、Al、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、Asのいずれの元素も、各々0.0005mass%以上の含有が必要である。一方、いずれの元素も、0.05mass%を超えると効果が飽和するどころか、却って、曲げ加工性を阻害する。好ましくはこれら元素の含有量の上限がいずれの元素も0.03mass%以下である。さらに、これら元素の合計含有量も、0.2mass%を超えると、効果が飽和するどころか、却って、曲げ加工性を阻害する。好ましくは、これら元素の合計含有量の上限が0.15mass%以下であり、より好ましくは0.1mass%以下である。
(不可避不純物)
銅合金には、リターン材を含む原料、および、主として大気での溶解時を含む製造工程で、微量であるが、酸素、水素、炭素、硫黄、水蒸気等の元素が、不可避的に含有されるため、当然これらの不可避不純物を含む。
ここで、本実施形態である銅合金においては、規定した成分元素以外の元素は不可避不純物として扱ってもよく、不可避不純物の含有量は0.1mass%以下とすることが好ましい。
(組成関係式f1)
組成関係式f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕が30のとき、本発明合金の金属組織が、実質的にα相だけになるかどうかの境界値であり、同時に良好な応力緩和特性、延性、曲げ加工性を得るための境界値でもある。主要元素Znの含有量が、30mass%以下であると同時に本関係式を満たさなければならない。Cu−Zn合金に、低融点金属のSnを0.2mass%、或いは0.3mass%以上含有すると、鋳造時の最終の凝固部、結晶粒界にSnの偏析が生じる。その結果、Sn濃度の高い、γ相、β相が形成される。非平衡状態で存在するγ相、β相は、鋳造、熱間加工、焼鈍・熱処理、或いは、製品加工のろう付けを経ても、或いは、熱処理条件等を工夫しても、消滅させることが上式の値が30を超えると困難である。組成関係式f1において、本発明の組成範囲内で、Snは、係数「+5」が与えられる。係数「5」は、主要元素であるZnの係数「1」に比べ大きい。一方、Niは、本願の組成範囲内で、Snの偏析を少なくし、γ相、β相の形成を阻害する性質を持ち、係数「−2」が与えられる。組成関係式f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕が30以下であれば、本発明合金は結晶粒界を含め、また、本発明合金は、製品の加工方法を含めても、γ相、β相が皆無になる。金属組織中に、γ相、β相が皆無になることにより、本発明合金の延性、曲げ加工性が良好となり、同時に応力緩和特性がよくなる。より好ましくは、f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕の値が、29.5以下で、さらに好ましくは29以下である。一方、f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕の値が、17未満であると、強度が低く、耐変色性も悪くなるため、好ましくは、18以上であり、より好ましくは、20以上であり、更に好ましくは23以上である。
(組成関係式f2)
組成関係式f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕が26のとき、本発明合金が良好な耐応力腐食割れ性と延性、曲げ加工性を得るための境界値である。前記のとおり、Cu−Zn合金の致命的な欠点として、応力腐食割れの感受性が高いことが挙げられる。Cu−Zn合金の場合、応力腐食割れの感受性は、Znの含有量に依存し、Zn含有量が25mass%或いは26mass%を超えると、特に応力腐食割れの感受性が高くなる。組成関係式f2=26は、Zn含有量が25mass%或いは26mass%に相当する。本願のNi、Snが共添加される組成範囲内で、Niの含有によって、特に応力腐食割れ感受性を低くできる。好ましくは、組成関係式f2の上限値が25.5以下である。一方、f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕が、14未満であると、強度が低く、また耐変色性が悪くなるため、好ましくは15以上であり、より好ましくは18以上である。
(組成関係式f3)
組成関係式f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕は、Ni、Snを共添加し、f1が30以下であって、さらに、本組成関係式f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕の値が8以上であるとき、高濃度のZnを含むにもかかわらず、優れた応力緩和特性を発揮する。好ましくは、組成関係式f3の下限値が9以上であり、より好ましくは10以上である。一方、f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕が23を超えても、その効果が飽和する。好ましくは、組成関係式f3の上限値が22以下である。
(組成関係式f4)
本願の組成範囲内で、合金の耐変色性を良くするためには、NiとSnの合計含有量である組成関係式f4=〔Ni〕+〔Sn〕が、1.3以上であることが必要であり、より好ましくは1.4以上である。応力緩和特性を向上させるためにも、そして、より高い強度を得るためにも、組成関係式f4=〔Ni〕+〔Sn〕が、1.3以上であることが好ましい。一方、組成関係式f4=〔Ni〕+〔Sn〕が、2.4を超えると、合金のコストが上がり、導電性も悪くなることから、2.4以下が好ましい。
(組成関係式f5)
本願組成範囲のNi、Sn、Pを共添加した高濃度のZnを含有するCu−Zn合金の応力緩和特性においては、さらに組成関係式f5=〔Ni〕/〔Sn〕が重要である。潜在的に応力緩和特性を良くし、強度を高める作用を有する一方で、金属組織上の問題点を抱え、高い原子価を持つSnを最大限に活用するためにも、2価のNiとの存在比、すなわちバランスが重要である。マトリックスに存在する4価のSn原子1つに対し、2価のNi原子が少なくとも3つ以上であると、質量比で〔Ni〕/〔Sn〕の値が1.5以上であるとより一層応力緩和特性が向上することを見出した。特に、仕上げ圧延後の回復処理した本願発明合金において、その効果はより顕著になる。より好ましくは、組成関係式f5=〔Ni〕/〔Sn〕の値が1.7以上であり、より好ましくは2.0以上である。〔Ni〕/〔Sn〕の値が1.5以上、1.7以上、或いは2.0以上であると、Zn含有量が多い場合や、f1の値が大きいときなど、他の条件と相まって金属組織中のβ相やγ相の析出を抑えることができる。また、組成関係式f5=〔Ni〕/〔Sn〕の値が4.5以下まで良好な応力緩和特性を示し、5.5を超えると悪くなる。
(組成関係式f6)
さらに、応力緩和特性は、固溶状態にあるNiと、Pと、そしてNiとPの化合物に影響を受ける。ここで、組成関係式f6=〔Ni〕/〔P〕が20未満であると、固溶状態にあるNiに対するNiとPの化合物の割合が多くなるので、応力緩和特性が悪くなり、曲げ加工性も悪くなる。すなわち、組成関係式f6=〔Ni〕/〔P〕が20以上、好ましくは22以上であると、応力緩和特性、および曲げ加工性が良くなる。一方で、組成関係式f6=〔Ni〕/〔P〕が400を超えると、NiとPで形成される化合物の量、固溶するPの量が少なくなるので、応力緩和特性が悪くなる。好ましくは、組成関係式f6の上限値が220以下であり、より好ましくは150以下で、さらに好ましくは、100以下である。また、結晶粒を細かくする作用も小さくなり、合金の強度が低くなる。
(α単相組織)
β相、γ相が存在すると、特に延性、曲げ加工性を損ない、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性を悪くする。ただし、本実施形態において、α相組織であるとは、倍率300倍の金属顕微鏡で金属組織を観察した時、前記特性に影響を顕著に与える、明瞭にβ相、γ相が認められる大きさのものを対象とする。実質的にα単相であることは、酸化物を含む非金属介在物、析出物や晶出物等の金属間化合物を除き、倍率300倍(視野89×127mm)の金属顕微鏡で金属組織を観察した時、金属組織中に、α相の占める割合が100%であることを示す。
(平均結晶粒径)
本実施形態である銅合金においては、以下の理由から、特に、端子、コネクタ等の用途に使用される場合、平均結晶粒径を2〜12μmとすることが好ましい。
本実施形態である銅合金では、製造プロセスによるが、最小で1μmの結晶粒を得ることができるが、平均結晶粒径が2μm未満であると、応力緩和特性が悪くなり、強度は高くなるものの延性、曲げ加工性が悪くなるおそれがある。特に応力緩和特性から好ましくは、結晶粒度は少し大きいほうがよく、3μm以上、更には、4μm以上である。一方、端子、コネクタ等の用途においては、平均結晶粒径が12μmを超えると、高い強度が得られず、応力腐食割れの感受性も高くなるおそれがある。応力緩和特性も約7〜9μmで飽和するので、平均結晶粒径の上限は、好ましくは9μm以下であり、より好ましくは8μm以下である。
(析出物)
本実施形態である銅合金においては、以下の理由から、析出物の大きさや個数を規定することが好ましい。
NiとPを主とする円形又は楕円形の析出物が存在することにより、再結晶粒の成長を抑制し、微細な結晶粒を得るとともに応力緩和特性を向上させる。焼鈍時に生成する再結晶は、加工により著しくひずみを受けた結晶を、ひずみのほとんど無い、新たな結晶として、置き換えることである。しかしながら、再結晶は加工を受けた結晶粒が瞬時に再結晶粒に置き換わるものではなく、長い時間、或いはより高い温度を必要とする。すなわち、再結晶の生成開始から、再結晶の終了まで、時間と温度を要する。再結晶が完全に終了するまで、初めに生成した再結晶粒は、成長して大きくなるが、該析出物により、その成長を抑制することができる。
析出物が、平均粒径、または存在割合で3nm、または70%より小さいと、強度の向上作用、結晶粒成長の抑制作用はあるが、析出物の量が多くなり、曲げ加工性を阻害する。一方、析出物が平均粒径、または存在割合で180nm、または70%より大きいと、析出物の数が少なくなるので、結晶粒成長抑制作用が損なわれ、応力緩和特性への効果が少なくなる。そこで、本実施形態では、析出物の平均粒子径が3〜180nm、又は、析出物の内で粒子径が3〜180nmの析出物が占める個数の割合が70%以上100%以下としている。なお、本実施形態においては、特別な、高温から速い冷却速度で冷却する溶体化処理、その後再結晶以下の温度で長時間の析出処理する時効を行わないので、強度に大きく寄与する微細な析出物を得ることはしない。好ましくは、平均粒径で5nm以上、さらには、7nm以上、または150nm以下、さらには、100nm以下である。また、析出物の内で粒子径が3〜180nmの析出物が占める個数の割合が、より好ましくは80%以上100%以下である。
(導電率)
導電率の上限は、本件で対象とする部材は、27%IACS、或いは、26%IACSを超えることは特に必要とせず、従来の黄銅の欠点であった応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性、強度の優れたものが、本願で最も有益である。また、用途上、スポット溶接を施すものもあり、導電率が高すぎると不具合が生じることもある。一方、高価なりん青銅や洋白の導電率を上回り、コネクタ、端子用途等の導電性用途を対象としているので、導電率の下限は18%IACS以上、19%IACS以上が好ましい。
(強度)
本実施形態である銅合金においては、強度について特に規定はないが、端子、コネクタ等の用途に使用される場合、延性、曲げ加工性が良好であることを前提に、圧延方向に対して、0度方向、90度方向から試験片を採取した試料において、常温の強度は、引張強さで少なくとも500N/mm以上、好ましくは、550N/mm以上、より好ましくは、575N/mm以上、さらに好ましくは600N/mm以上、耐力で少なくとも450N/mm以上、好ましくは、500N/mm以上、より好ましくは、525N/mm以上、更に好ましくは、550N/mm以上である。また、好ましい常温の強度の上限は、引張強さで800N/mm以下、耐力で750N/mm以下である。
さらに、端子、コネクタ等の用途に用いられる場合、破断強度を示す引張強さと、初期の変形強さを示す耐力の両者がともに高いほうが好ましい。そして、耐力/引張強さの比が大きいほうがよく、板の圧延方向に対して平行方向の強度と圧延方向に対して直交方向の強度との差が少ないほうが好ましい。ここで、圧延方向に平行に試験片を採取したときの引張強さをTS、耐力をYSとし、圧延方向に直交に試験片を採取したときの引張強さをTS、耐力をYSとしたとき、上記の関係を数式で表すと以下のようになる。
(1)耐力/引張強さ(圧延方向に対して平行、圧延方向に対して直交)が0.9以上1以下、より好ましくは、0.92以上、1.0以下
0.9≦YS/TS≦1.0
0.9≦YS/TS≦1.0
(2)圧延方向に対して平行に試験片を採取したときの引張強さ/圧延方向に対して直交に試験片を採取したときの引張強さが、0.9以上、1.1以下、より好ましくは、0.92以上、1.05以下
0.9≦TS/TS≦1.1
(3)圧延方向に対して平行に試験片を採取したときの耐力/圧延方向に対して直交に試験片を採取したときの耐力が、0.9以上、1.1以下、より好ましくは、0.92以上、1.05以下
0.9≦YS/YS≦1.1
これらを達成するためには、最終の冷間加工率、平均結晶粒径、プロセスが重要である。最終の冷間加工率が5%未満であると高い強度が得られず、耐力/引張強さの比が小さい。好ましくは、冷間加工率の下限が10%以上である。一方、50%を越える加工率では、曲げ加工性、延性が悪くなる。好ましくは、冷間加工率の上限が35%以下である。なお、後述する回復熱処理により、耐力/引張強さの比を大きく、すなわち、1.0に近づけ、平行方向と直交方向の耐力の差を小さくすることができる。
(応力緩和特性)
銅合金は、約100℃、或いは100℃以上の環境、例えば、自動車の炎天下の室内、エンジンルームに近い環境で、端子、コネクタ、リレーとして使用される。端子、コネクタに求められる主要な機能の1つに、高い接触圧力を有することが挙げられる。常温であれば、最大の接触圧は、材料の引張試験を行ったときの弾性限界の応力、或いは耐力の80%であるが、100℃以上の環境で長時間使用すると、材料は、永久変形するので、弾性限界の応力、または耐力の80%に相当する応力では、接触圧力として、使用できない。応力緩和試験は、耐力の80%の応力を材料に加えた状態で、120℃、または、150℃で1000時間保持後、応力がどれだけ緩和されたかを調べるための試験である。すなわち、約100℃または、100℃以上の環境で使用される場合の、実効の最大の接触圧は、耐力×80%×(100%−応力緩和率(%))で表され、単に常温の耐力が高いだけでなく、前式の値が高いことが望まれる。150℃の試験で耐力×80%×(100%−応力緩和率(%))が、240N/mm以上あれば、高温状態での使用が、少し問題あるが可能であり、270N/mm以上であれば、高温状態での使用に適しており、300N/mm以上であれば最適である。例えば、耐力が500N/mmである黄銅の代表的な合金70%Cu−30%Znの場合、150℃で、耐力×80%×(100%−応力緩和率(%))の値が約70N/mm、同様に耐力が550N/mmである94%Cu−6%Snのりん青銅で、約180N/mmであり、現行の実用合金では、到底満足できない。
材料の目標とする強度を前記のとおりとした場合、150℃で1000時間の過酷な条件の試験で、応力緩和率が30%以下、特に25%以下であれば、高いZn濃度の黄銅であることを考えると非常に高い水準であるといえる。また、応力緩和率が30%を超え40%以下であれば、良好であり、40%を超え50%以下であれば、使用に問題があり、50%を超えると、実質上、過酷な熱環境で使用することは困難といえる。一方、120℃で1000時間の少しマイルドな条件の試験では、より高い性能が要望され、応力緩和率が、14%以下であれば、高い水準であるといえ、14%を超え、21%以下であれば、良好であり、21%を超え、40%以下であれば、使用に問題があり、40%を超えると、実質上、マイルドな熱環境での使用は困難といえる。
次に、本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金の製造方法、及び、第1〜3の実施形態に係る銅合金金からなる銅合金板について説明する。
まず、上述の成分組成とされた鋳塊を準備し、この鋳塊を熱間加工する。代表的には熱間圧延であり、熱間圧延の開始温度は、各元素を固溶状態にするために、さらにSnの偏析を軽減させるために、また、熱間延性の点から、760℃以上、890℃以下とする。熱間圧延の加工率は、鋳塊の粗大な鋳造組織の破壊や、Snなどの元素の偏析を軽減するために、少なくとも、50%以上とするのが望ましい。そしてP、Niをより固溶状態にするために、これらの析出物であるNiとPの化合物が粗大にならないように、最終圧延終了時の温度又は650℃から350℃の温度領域を1℃/秒以上の平均冷却速度で冷却することが好ましい。
そして、冷間圧延で厚みを薄くした後に、再結晶熱処理、すなわち焼鈍工程に進む。冷間圧延率は、最終の製品厚みにもよるが、少なくとも40%以上、好ましくは55%以上、97%以下が好ましい。熱間圧延組織を破壊するためには、冷間圧延率の下限は、40%以上で、55%以上が望ましく、常温での強加工により、材料ひずみが悪くなる前に終了する。最終の目標とする結晶粒径にもよるが、焼鈍工程では、結晶粒径を3〜30μmとするのが好ましい。具体的な、温度条件は、バッチ式の場合、400〜650℃で、1〜10時間保持の条件で行う。または、連続焼鈍という、短時間で、高温で行う焼鈍方法が多く使用されているが、その焼鈍時、材料の最高到達温度が560〜790℃で、「最高到達温度マイナス50℃」の高温状態で、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域を、0.04〜1.0分間保持する。連続焼鈍方法は、後述する回復処理熱処理でも使用される。なお、焼鈍工程、および冷間圧延工程は、最終の製品厚みにより、省略することができ、または、複数回実施してもよい。金属組織に関し、大きな結晶粒と小さな結晶粒が混在する混粒状態であると、応力緩和特性、曲げ加工性、耐応力腐食割れ性が悪くなり、圧延方向に平行と垂直方向の機械的性質の異方性が生じる。本発明では、NiとPを主成分とする析出物が、焼鈍時、結晶粒成長抑制作用により再結晶粒を微細なままに維持させる。しかしながら、高温で長時間加熱、すなわちバッチ式で高温焼鈍すると、NiとPを主成分とする析出物が固溶し始め、ある部分で、成長抑制作用であるピン止めが効かなくなり、結晶粒が異常成長する現象が生じる恐れがある。すなわち、局所的にNiとP析出物によるピン止め効果の消滅により、異常成長した再結晶と、細かなまま維持される再結晶と混在する現象が生じる。本発明合金では、5μm以上、または、10μm以上の再結晶粒を得るためにバッチで焼鈍を行うとこのような現象が生じやすくなる。しかしながら、高温での短時間焼鈍、すなわち連続焼鈍の場合、ほぼ均一に、析出物の消滅が起こり、平均結晶粒径が5μm、或は10μmを超えても、混粒状態にはなり難い。
次に、仕上げ前冷間圧延を行う。最終の製品厚みにもよるが、冷間圧延率は、40%〜96%であることが望ましい。また、次の最終の再結晶熱処理である最終の焼鈍で、より細かな、均一な結晶粒を得るために40%以上の加工率が必要であり、材料のひずみの関係から96%以下、好ましくは90%以下である。
なお、最終の目的とする結晶粒の大きさを細かくし、且つ均一にするためには、最終焼鈍の1つ前の熱処理である焼鈍工程後の結晶粒径と、仕上げ前冷間圧延の加工率の関係を規定しておくことが望ましい。すなわち、最終焼鈍後の結晶粒径をD1とし、その前の焼鈍工程後の結晶粒径をD0とし、仕上げ前冷間圧延の冷間加工率をRE(%)とすると、REが40〜96において、D0≦D1×6×(RE/100)を満たすことが好ましい。最終焼鈍後の再結晶粒を細かく、均一なものにするために、焼鈍工程後の結晶粒径を、最終焼鈍後の結晶粒径の6倍と、RE/100との積以内にしておくことが好ましい。冷間加工率が高いほど、再結晶核の核生成サイトが増えるので、焼鈍工程後の結晶粒径が、最終焼鈍後の結晶粒径より3倍以上の大きさであっても細かく、均一な再結晶粒が得られる。
そして、最終の焼鈍は、目標とする結晶粒の大きさにするための熱処理である。端子・コネクタ等の用途の場合、目標とする平均結晶粒径は、2〜12μmであるが、強度を重視する場合、結晶粒を小さくし、応力緩和特性を重視する場合は結晶粒を前記範囲内で少し大きくする。仕上げ前の圧延率、材料の厚み、目標とする結晶粒度にもよるが、焼鈍条件としては、バッチ式の場合、350℃〜550℃で、1〜10時間保持し、高温短時間焼鈍では、最高到達温度が560〜790℃で、最高到達温度マイナス50℃の温度で0.04〜1.0分間保持する。なお、前記の通り、応力緩和特性を重視する場合、平均結晶粒径が、3μm以上、12μm以下、または5μm〜9μmが好ましいので、混粒を避けるためにも高温短時間の連続焼鈍が、好ましい。同様に、析出物の粗大化やマトリックス中のPの固溶量を確保する上でも、高温短時間の連続焼鈍が好ましい。
仕上げ前圧延の再結晶熱処理すなわち、最終の焼鈍は、高温−短時間の連続熱処理、または連続焼鈍であることが好ましい。具体的には、銅合金材料を所定の温度に加熱する加熱ステップと、該加熱ステップ後に該銅合金材料を所定の温度に所定の時間保持する保持ステップと、該保持ステップ後に該銅合金材料を所定の温度まで冷却する冷却ステップを具備する。該銅合金材料の最高到達温度をTmax(℃)とし、該銅合金材料の最高到達温度より50℃低い温度から最高到達温度までの温度域で、加熱保持される時間をtm(min)としたときに、560≦Tmax≦790、0.04≦tm≦1.0、500≦It1=(Tmax−30×tm−1/2)≦680である。高温−短時間の連続焼鈍で焼鈍する場合、最高到達温度が790℃を超えると、または、It1が680を超えると、1)再結晶粒が大きくなり、12μmを超えることがある、2)NiとPを主成分とする析出物の多くが固溶し、析出物が少なくなり過ぎる、3)数少ない析出物が粗大化する、4)熱処理中にβ相やγ相が析出する。これらによって、応力緩和特性が悪くなり、耐応力腐食割れ性が悪くなり、強度が低くなり、曲げ加工性が悪くなる。また、圧延方向に平行と垂直方向の、引張強さ、耐力、伸びなどの機械的性質の異方性が生じる恐れがある。好ましくは、Tmaxの上限は760℃以下であり、It1の上限は、670以下である。一方、Tmaxが、560℃より低いと、または、It1が500未満であると、未再結晶、或いは、再結晶しても超微細であり、2μmより小さくなり、曲げ加工性、応力緩和特性が悪くなる。好ましくは、Tmaxの下限は580℃以上であり、It1の下限は、520以上である。但し、高温短時間の連続熱処理方法は、装置の構造上、加熱、冷却ステップが異なり、条件が多少ずれることがあるが、前記の範囲であれば、問題とならない。なお、バッチ式焼鈍でも本願の目的・目標を達成できるが、バッチ式焼鈍で長時間、高温加熱すると、析出物の粒径が大きくなり易い。さらに、バッチ式焼鈍では、冷却速度が遅いため、固溶するPの量が少なくなり、固溶状態にあるNi量、析出Ni−P量とのバランスが悪くなるので、少し応力緩和特性が悪くなる。前記のとおり、高温短時間の連続熱処理の「最高到達温度」および、「最高到達温度より50℃低い温度」の温度条件は、バッチ式焼鈍の焼鈍温度より、高い。そのため、最終焼鈍の前の焼鈍がバッチ式焼鈍であっても、最終焼鈍を高温短時間の連続熱処理法で実施することにより、前のバッチ式焼鈍における固溶するPの量、固溶状態にあるNi量、析出Ni−P量を、概ねキャンセルすることができる。すなわち、最終の銅合金板において、固溶するPの量、固溶状態にあるNi量、析出Ni−P量は、多くは、最終の焼鈍方法に依存する。したがって、結晶粒の混粒の問題も含め、最終の焼鈍方法は、高温短時間の連続熱処理法で行うことが好ましい。
最終焼鈍後、仕上げ圧延が実施される。結晶粒度、目標とする強度、曲げ加工性によって仕上げ圧延率が異なるが、本願が目的とする曲げ加工性と強度のバランスがよいことであるから、仕上げ圧延率は、5〜50%が望ましい。5%未満であると、結晶粒度が2〜3μmで微細であっても、高強度、特に高い耐力を得ることが困難であるため、圧延率は10%以上が好ましい。一方、圧延率が高くなるにしたがって、加工硬化により強度が高くなるが、延性、曲げ加工性が悪くなる。結晶粒の大きさが大きい場合であっても、圧延率が50%を超えると延性、曲げ加工性が悪くなる。好ましくは圧延率が40%以下、より好ましくは35%以下である。
最終仕上げ圧延後、ひずみの状態をよくするために、テンションレベラーで矯正することもある。場合によってはさらに、テンションレベラー後に回復熱処理を行なうと、応力緩和特性、延性、及び曲げ加工性が向上する。回復熱処理工程は、高温−短時間の連続熱処理によって製造することが好ましく、銅合金材料を所定の温度に加熱する加熱ステップと、該加熱ステップ後に該銅合金材料を所定の温度に所定の時間保持する保持ステップと、該保持ステップ後に該銅合金材料を所定の温度まで冷却する冷却ステップを具備する。また、該銅合金材料の最高到達温度をTmax2(℃)とし、該銅合金材料の最高到達温度より50℃低い温度から最高到達温度までの温度域で、加熱保持される時間をtm2(min)とすると、150≦Tmax2≦580、0.02≦tm2≦100、120≦It2=(Tmax2−25×tm2−1/2)≦390である。Tmax2が580℃を超えると、または、It2が390を超えると、部分的に再結晶が生じ、軟化が進み、強度が低くなる。好ましくは、Tmax2の上限が540℃以下であり、または、It2の下限が、380以下である。Tmax2が150℃より低いと、または、It2が120未満であると、応力緩和特性の向上の度合いが小さい。好ましくは、Tmax2の下限が250℃以上であり、または、It2の下限が、240以上である。但し、高温短時間の連続熱処理方法は、装置の構造上、加熱、冷却ステップが異なり、条件が多少ずれることもあるが、前記の範囲であれば、問題とならない。
端子、コネクタ等の用途に使用される場合、圧延材の最高到達温度が150〜580℃で、最高到達温度マイナス50℃の温度で、0.02〜100分間で保持する再結晶を伴わない回復熱処理を施す。この低温の熱処理により、応力緩和特性、弾性限、導電率、機械的性質が向上する。なお、仕上げ圧延後、板材或いは、製品に成形後、前記条件に相当する熱条件が加わる溶融Snめっき、またはリフローSnめっき工程を施す場合、回復熱処理を省略することもできる。
なお、本発明合金は、熱間加工を行うことなく、具体的には熱間圧延を省略して、連続鋳造法等によって作られる鋳塊を、場合によっては、約700℃で、1時間以上の高温で均質化焼鈍し、そして冷間圧延と、バッチ式を含む焼鈍の繰り返し、最終焼鈍、仕上げ圧延、および回復熱処理により、得ることもできる。鋳造工程と最終焼鈍の間に、対となる冷間圧延工程と焼鈍工程は、厚み等により、1回以上、複数回実施してよい。また最終焼鈍は、前記のとおり高温短時間の連続熱処理方法が好ましい。なお、本明細書においては、加工される銅合金材料の再結晶温度より低い温度で行われる加工を冷間加工、再結晶温度より高い温度で行われる加工を熱間加工とし、それらがロールによって成形される加工を各々、冷間圧延、熱間圧延と定義する。また、再結晶は、一つの結晶組織から別の結晶組織への変化あるいは、加工によって生じるひずみの存在する組織から、新しい、歪みのない結晶組織へ形成されることと定義される。
特に、端子、コネクタ、リレー等の用途において、最終仕上げ圧延後、圧延材の温度が150〜580℃で、実質的に0.02〜100分間保持することにより、応力緩和特性が向上する。仕上げ圧延後、板材或いは、製品に成形後、前記条件に相当する熱条件が加わるSnめっき工程を施す予定があれば、回復熱処理を省略することもできる。また、回復熱処理を施した銅合金板をSnめっきしてもよい。
この回復熱処理工程は、再結晶を伴わず、低温又は短時間の回復熱処理により、材料の弾性限、応力緩和特性、ばね限界値、及び伸びを向上させ、また、冷間圧延により低下した導電率を回復させるため、の熱処理である。
一方、Znを18mass%以上含有する一般のCu−Zn合金の場合、10%以上、40%以下の加工率で冷間加工された圧延材を低温焼鈍すると、低温焼鈍硬化により硬くなり、脆くなる。10分間保持の条件で回復熱処理を行うと、150〜200℃で硬化し、250℃を境に急激に軟化、約300℃で再結晶し、元の圧延材の耐力の約50〜65%の耐力にまで強度が低下する。このように狭い温度の中で、機械的性質が変化する。
本実施形態の銅合金に含有されるNi、Sn、Pの効果により、最終仕上げ圧延後、例えば、約200℃で10分間保持すると、低温焼鈍硬化により少し強度が上がる。しかしながら、約300℃で10分間保持すると、元の圧延材の強度に戻り、延性が向上する。ここで、低温焼鈍の硬化の度合いが大きいと、Cu−Zn合金と同様、材料は脆くなる。それを避けるためにも、仕上げ圧延率の上限は、50%以下がよく、好ましくは、40%以下であり、より好ましくは、35%以下である。なお、高い強度を得るためには、圧延率の下限を少なくとも5%以上、好ましくは10%以上である。結晶粒度は、2μm以上がよく、より好ましくは、3μm以上である。高い強度、強度と延性のバランスをよくするためには、結晶粒度は12μm以下にする。
さらに、圧延のままの状態であると、圧延方向に直交方向の耐力が低いが、本回復熱処理により、延性を損なわずに、耐力を向上させることができる。この効果により、圧延方向に直交方向の引張強さと耐力の差が10%以上であったものが10%以内になる。また、圧延方向に平行方向と直交方向の、引張強さ、または耐力の差が、10%またはそれ以上あったものが、共に、10%以内、概ね5%となり、異方性の小さい材料になる。
このようにして、本実施形態である銅合金板が製造される。
以上のように、本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金及び銅合金板においては、耐変色性に優れ、強度が高く、曲げ加工性がよく、耐変色性に優れ、応力緩和特性に優れ、耐応力腐食割れ性も良好である。これらの特性から、安いメタルコスト、低い合金密度等のコストパフォーマンスに優れた、コネクタ、端子、リレー、スイッチ等電子・電気機器部品、自動車部品、手すり、ドアハンドルなどの装飾・建築用金具・部材、医療用器具等の好適素材となる。また、耐変色性が良いので、一部でめっきを省略することも可能となり、手すり、ドアハンドル、エレベータの内壁材などの装飾・建築用金具・部材、医療用器具等の用途において、銅の持つ抗菌作用を活かせることができる。
さらに、平均結晶粒径が2〜12μmで、導電率が18%IACS以上、27%IACS以下であり、円形又は楕円形の析出物が存在し、該析出物の平均粒子径が3〜180nmであると、より一層、強度、強度と曲げ加工性のバランスが優れる。さらに、応力緩和特性、特に150℃の実効応力が高くなるので、過酷な環境で使用される、コネクタ、端子、リレー、スイッチ等電子・電気機器部品、自動車部品の好適素材となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
以下、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果を示す。なお以下の実施例は、本発明の効果を説明するためのものであって、実施例に記載された構成、プロセス、条件が本発明の技術的範囲を限定するものでない。
上述した本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金及び比較用の組成の銅合金を用い、製造工程を変えて試料を作製した。銅合金の組成を表1−4に示す。また、製造工程を表5に示す。なお、表1−4には、上述した実施形態に示す組成関係式f1、f2、f3、f4、f5、f6を示している。
Figure 2015046459
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製造工程A(A1−1〜A1−4,A2−1〜A2−11)は、内容積5トンの低周波溶解炉で原料を溶解し、半連続鋳造で断面が厚み190mm、幅630mmの鋳塊を製造した。鋳塊は、各々長さ1.5mに切断し、その後、熱間圧延工程(板厚13mm)―冷却工程−ミーリング工程(板厚12mm)―冷間圧延工程を行った。
熱間圧延工程での熱間圧延開始温度は820℃とし、板厚13mmまで熱間圧延した後、冷却工程でシャワー水冷した。冷却工程での平均冷却速度は、最終の熱間圧延後の圧延材温度、又は、圧延材の温度が650℃のときから350℃までの温度領域での冷却速度とし、圧延板の後端において測定した。測定した平均冷却速度は3℃/秒であった。
工程A1−1〜A1−4は、冷間圧延(板厚2.5mm)―焼鈍工程(580℃、4時間保持)―冷間圧延(板厚0.8mm)―焼鈍工程(500℃、4時間保持)―仕上げ前圧延工程(板厚0.36mm、冷間加工率55%)―最終焼鈍工程−仕上げ冷間圧延工程(板厚0.3mm、冷間加工率17%)−回復熱処理工程を行った。
工程A2−1〜A2−6は、―冷間圧延(板厚1mm)―焼鈍工程(510℃、4時間保持)―仕上げ前圧延工程(板厚0.36mm、冷間加工率64%)―最終焼鈍工程−仕上げ冷間圧延工程(板厚0.3mm、冷間加工率17%)−回復熱処理工程を行った。
工程A2−7〜A2−8は、―冷間圧延(板厚1mm)―焼鈍工程(510℃、4時間保持)―仕上げ前圧延工程(板厚0.4mm、冷間加工率60%)―最終焼鈍工程−仕上げ冷間圧延工程(板厚0.3mm、冷間加工率25%)−回復熱処理工程を行った。
工程A2−9〜A2−10は、―冷間圧延(板厚1mm)―焼鈍工程(高温短時間焼鈍(最高到達温度Tmax(℃)−保持時間tm(min))、(660℃−0.24分))―仕上げ前圧延工程(板厚0.4mm、冷間加工率60%)―最終焼鈍工程−仕上げ冷間圧延工程(板厚0.3mm、冷間加工率25%)−回復熱処理工程を行った。
工程A2−11は、―冷間圧延(板厚1mm)―焼鈍工程(高温短時間焼鈍(最高到達温度Tmax(℃)−保持時間tm(min))、(660℃−0.24分))―仕上げ前圧延工程(板厚0.36mm、冷間加工率64%)―最終焼鈍工程−仕上げ冷間圧延工程(板厚0.3mm、冷間加工率17%)−回復熱処理工程を行った。
工程A1−1〜A1−3の最終焼鈍は、(410℃、4時間保持)のバッチ焼鈍で行った。工程A1−1では、回復熱処理を、実験室においてバッチ式(300℃、30分保持)で実施した。工程A1−2では、回復熱処理を、実操業ラインの連続の高温短時間焼鈍方法で行った。圧延材の最高到達温度Tmax(℃)と、圧延材の最高到達温度より50℃低い温度から最高到達温度までの温度域での保持時間tm(min)を、(最高到達温度Tmax(℃)−保持時間tm(min))と表したとき、(450℃―0.05分)の条件で行った。工程A1−3では、回復熱処理を、実験室において後述する熱処理を(300℃−0.07分)の条件で実施した。
工程A1−4では、最終焼鈍を、実操業ラインの連続の高温短時間焼鈍方法により、(最高到達温度Tmax(℃)−保持時間tm(min))、(690℃−0.12分)の条件で実施し、回復熱処理を(450℃−0.05分)の条件で実施した。
工程A2−1の最終焼鈍は、(425℃、4時間保持)のバッチ焼鈍で行った。
結晶粒の影響を調べるために工程A2−5、工程A2−6の最終焼鈍は、各々、(390℃、4時間保持)、(550℃、4時間保持)で行った。
工程A2−2、工程A2−3、工程A2−4は、連続の高温短時間焼鈍方法により(680℃‐0.06分)の条件で行った。工程A2−11は、連続の高温短時間焼鈍方法により(620℃‐0.05分)の条件で行った。
工程A2−7から工程A2−10は、連続の高温短時間焼鈍方法により、工程A2−7と工程A2−8は、(690℃−0.12分)の条件、工程A2−9は、(710℃−0.15分)の条件、工程A2−10(750℃−0.3分)の条件で実施した。
工程A2−1、工程A2−2、工程A2−5から工程A2−7、及び工程A2−9から工程A2−11の回復熱処理は、連続の高温短時間焼鈍で(450℃−0.05分)の条件で実施した。
工程A2−3、工程A2−8の回復熱処理は、各々、実験室で(300℃−0.07min)、(250℃−0.15min)の条件で行った
工程A2−4では、回復熱処理を実施しなかった。
なお、前記工程A2−3、工程A2−8の高温短時間焼鈍条件(300℃−0.07min)、(250℃−0.15min)は、回復熱処理工程の代わりに溶融Snめっき工程に相当する条件として、JIS K 2242:2012、JIS 3種に規定される熱処理油を300℃、250℃に加熱した2リットルの油浴槽中に、仕上げ圧延材を0.07分、0.15分間浸漬する方法で実施した。なお、冷却は空冷とした。
また、製造工程Bは、次のように行った。
製造工程Aの鋳塊から厚み30mm、幅120mm、長さ190mmの実験室用の鋳塊を切り出した。その鋳塊を、熱間圧延工程(板厚6mm)―冷却工程(空冷)−酸洗工程―圧延工程―焼鈍工程―仕上げ前圧延工程(厚み0.36mm)―再結晶熱処理工程−仕上げ冷間圧延工程(板厚0.3mm、加工率17%)−回復熱処理工程を行った。
熱間圧延工程は、830℃に鋳塊を加熱し、厚み6mmにまで熱間圧延した。冷却工程での冷却速度(熱間圧延後の圧延材温度、又は、圧延材の温度が650℃のときから350℃までの冷却速度)は、5℃/秒であり、冷却工程後に表面を酸洗した。
工程B1−1〜B1−3は、焼鈍工程が1回で、圧延工程で0.9mmまで冷間圧延し、焼鈍工程の条件を(510℃、4時間保持)で行い、仕上げ前圧延工程で、0.36mmに冷間圧延した。最終焼鈍を工程B1−1では(425℃、4時間保持)、工程B1−2、工程B1−3では(680℃−0.06分)で行い、0.3mmに仕上げ圧延を行った。そして回復熱処理を工程B1−1では(450℃−0.05分)、工程B1−2では(300℃−0.07min)、工程B1−3では(300℃、30分保持)で行った。
工程B1−4は、圧延工程で0.72mmまで冷間圧延し(加工率88%)、焼鈍工程の条件を(600℃、4時間保持)で行い、仕上げ前圧延工程で、0.36mmまで冷間圧延し(加工率50%)、最終焼鈍を(680℃−0.07分)で行い、0.3mmに仕上げ圧延を行った。そして回復熱処理を(300℃、30分保持)で行った。
工程B2−1では、焼鈍工程を省略した。酸洗後の厚み6mmの板材を、仕上げ前圧延工程で、0.36mmまで冷間圧延し(加工率94%)、最終焼鈍を(425℃、4時間保持)、そして0.3mmに仕上げ圧延、さらに回復熱処理を(300℃、30分保持)で行った。
工程B3−1、工程B3−2では、熱間圧延を行わず、冷間圧延と焼鈍の繰り返しで実施した。すなわち、厚み30mmの鋳塊を720℃、4時間で均質化焼鈍し、6mmまで冷間圧延し、焼鈍(620℃、4時間保持)、0.9mmまで冷間圧延、焼鈍(510℃、4時間保持)、0.36mmまで冷間圧延した。最終焼鈍を工程B3−1では、(425℃、4時間保持)、工程B3−2では、(680℃−0.06分)とし、0.3mmまで仕上げ冷間圧延を行った。そして、回復熱処理を(300℃、30分保持)で行った。
製造工程Bにおいて、製造工程Aでの実操業の連続焼鈍ライン等で行う短時間の熱処理に相当する焼鈍工程は、ソルトバスに圧延材を浸漬することにより代用した。最高到達温度をソルトバスの液温度とし、圧延材が完全に浸漬した時間を保持時間とし、浸漬後空冷した。なお、ソルト(溶液)は、BaCl、KCl、NaClの混合物を使用した。
さらに、実験室テストとして工程C(C1)、工程CA(C1A)を次のように行った。実験室の電気炉で所定の成分になるように溶解、鋳造し、厚み30mm、幅120mm、長さ190mmの試験用鋳塊を得た。以後、前述の工程B1−1と同じプロセスで製作した。すなわち、830℃に鋳塊を加熱し、厚み6mmにまで熱間圧延し、熱間圧延後に、圧延材の温度が熱間圧延後の圧延材温度、又は、650℃のときから350℃までの温度範囲を冷却速度5℃/秒で冷却した。冷却後に表面を酸洗し、圧延工程で0.9mmまで冷間圧延した。冷間圧延後に焼鈍工程を510℃、4時間の条件で行い、次の圧延工程で0.36mmに冷間圧延した。最終焼鈍条件は、工程C(C1)では、425℃、4時間保持とし、工程CA(C1A)では、ソルトバスで(680℃−0.06分)で行い、仕上げ冷間圧延で0.3mmに冷間圧延(冷間加工率:17%)し、回復熱処理を(300℃、30分保持)で行った。
なお、工程C2は、比較材の工程であり、材料の特性から、厚みおよび熱処理条件を変更して行った。酸洗後、1mmに冷間圧延、焼鈍工程を430℃、4時間の条件で行い、圧延工程で0.4mmに冷間圧延、最終焼鈍条件は、380℃、4時間保持、仕上げ冷間圧延で0.3mmに冷間圧延(冷間加工率:25%)し、回復熱処理を(230℃、30分保持)で行った。比較材のりん青銅(合金No.124)については、市販の厚みが0.3mmのJIS H 3110C5191R−Hを用いた。
上述した製造工程により作製した銅合金の評価として、引張強度、耐力、伸び、導電率、曲げ加工性、応力緩和率、耐応力腐食割れ性、耐変色試験を実施、測定した。
また、金属組織を観察して平均結晶粒径、β相、γ相の占める割合を測定した。さらに、析出物の平均粒径と、全ての大きさの析出物の中で粒径が所定の値以下の析出物の個数の割合を測定した。
<機械的特性>
引張強度、耐力、及び伸びの測定は、JIS Z 2201、JIS Z 2241に規定される方法に従い、試験片の形状は、5号試験片で実施した。なお、試料は圧延方向に平行と直交の2つの方向から採取した。但し、工程B、工程Cで試験した材料は、幅が120mmであったので、5号試験片に準じた試験片で実施した。
<導電率>
導電率の測定は、日本フェルスター株式会社製の導電率測定装置(SIGMATEST D2.068)を用いた。なお、本明細書においては、「電気伝導」と「導電」の言葉を同一の意味に使用している。また、熱伝導性と電気伝導性は強い相関があるので、導電率が高い程、熱伝導性が良いことを示す。
<曲げ加工性>
曲げ加工性は、JIS H 3110で規定されているW曲げで評価した。曲げ試験(W曲げ)は、次のように行った。曲げ半径は、材料の厚さの1倍(曲げ半径=0.3mm、1t)、及び、0.5倍(曲げ半径=0.15mm、0.5t)とした。サンプルは、バッドウェイ(Bad Way)と言われる方向で圧延方向に対して90度をなす方向、及びグッドウェイ(Good Way)と言われる方向で圧延方向に0度をなす方向に行った。曲げ加工性の判定は、50倍の実体顕微鏡で観察してクラックの有無で判定した。曲げ半径が材料の厚さの0.5倍の条件でクラックが生じなかったものを「評価A」、曲げ半径が材料の厚さの1倍の条件でクラックが生じなかったものを「評価B」、曲げ半径が材料の厚さの1倍の条件でクラックが生じたものを「評価C」とした。
<応力緩和特性>
応力緩和率の測定は、JCBA T309:2004に従って、次のように行った。供試材の応力緩和試験には片持ち梁ねじ式治具を使用した。圧延方向に対して、平行および直交の2つから採取し、試験片の形状は、板厚0.3mm×幅10mm×長さ60mmとした。供試材への負荷応力は0.2%耐力の80%とし、150℃および120℃の雰囲気中に1000時間暴露した。応力緩和率は、応力緩和率=(開放後の変位/応力負荷時の変位)×100(%)として求め、圧延方向に対して、平行および直交の2つから採取した試験片の平均値を採用した。本発明は、Znを高濃度に含有するCu−Zn合金であっても、応力緩和性に優れることを目指している。そのため、150℃での応力緩和率が30%以下であれば、特に、25%以下は、応力緩和特性に優れ、30%を超え40%以下は、応力緩和特性が良好であり、使用可能である。また、応力緩和特性が40%を超え50%以下は、使用に問題があり、50%を超えるものは、使用に困難なレベルであり、「不可」である。本願において、応力緩和特性が、40%を超えるものは、「不適」とした。
一方、120℃で1000時間の少しマイルドな条件の試験では、さらに高い性能が要望される。そのため、応力緩和率が14%以下であれば、高い水準であるといえるものとして「評価A」とし、14%を超え21%以下であれば、良好でありるとして「評価B」とした。また、応力緩和率が21%を超え、40%以下であれば、使用に問題があり、40%を超えると、実質上、マイルドであっても熱環境での使用は困難といえる。今回は応力緩和に優れることを目標としているので、応力緩和率が21%を超えるものは、「評価C」とした。
また、実効の最大の接触圧は、耐力×80%×(100%−応力緩和率(%))で現される。本発明合金では、単に常温の耐力が高い、または、応力緩和率が低いだけでなく、前式の値が高いことが必要である。150℃の試験で耐力×80%×(100%−応力緩和率(%))が、240N/mm以上あれば、高温状態での使用が「可」であり、270N/mm以上で「適」であり、300N/mm以上であれば「最適」である。耐力、および応力緩和特性は、スリッター後のスリッター幅の関係から、つまり、幅が60mmより小さい場合、圧延方向に90度(垂直)をなす方向から採取できない場合がある。その場合、試験片は圧延方向に0度(平行)方向のみで、応力緩和特性、および実効の最大の接触圧を評価するものとする。
なお、試験No.22、26、31(合金No.2)、及び試験No.44、45(合金No.3)において、圧延方向に90度(垂直)をなす方向及び圧延方向に0度(平行)方向での応力緩和試験の結果から算出した実効応力と、圧延方向に0度(平行)方向のみでの応力緩和試験の結果から算出した実効応力と、圧延方向に90度(垂直)方向のみでの応力緩和試験の結果から算出した実効応力とで大きな差がないことを確認した。
本発明合金では、以上の3つの判断基準を達成することが好ましい。
<応力腐食割れ>
応力腐食割れ性の測定は、ASTMB858−01に規定された試験容器と、試験液すなわち107g/500mlの塩化アンモニウムに水酸化ナトリウムを加えてPHを10.1±0.1に調整し、22±1℃に室内の空調を制御して行った。
応力腐食割れ試験は、応力を付加した状態での応力腐食割れの感受性を調べるため、樹脂製の片持ち梁ねじ式治具を用いた。前記の応力緩和試験と同様、耐力の80%の曲げ応力、すなわち材料の弾性限界の応力を加えた状態にある圧延材を、上記の応力腐食割れ雰囲気中に暴露し、応力緩和率から、耐応力腐食割れ性の評価を行った。つまり、微細なクラックが発生しておれば、元の状態には戻らず、そのクラックの度合いが大きくなると応力緩和率が大きくなるので、耐応力腐食割れ性を評価できる。24時間暴露で応力緩和率が15%以下のものを、耐応力腐食割れ性に優れるものとして「評価A」とし、応力緩和率が、15%を超え、30%以下を耐応力腐食割れ性が良好として「評価B」とし、30%を超えるものは、過酷な応力腐食割れ環境での使用は困難であるとして、「評価C」とした。なお、試料は、圧延方向に対して平行方向から採取して実施した。
<組織観察>
結晶粒の平均粒径の測定は、300倍、600倍、及び150倍等の金属顕微鏡写真で結晶粒の大きさに応じ、適宜倍率を選定し、JIS H 0501における伸銅品結晶粒度試験方法の求積法に準じて測定した。なお、双晶は結晶粒とはみなさない。
なお、1つの結晶粒は、圧延により伸ばされるが、結晶粒の体積は、圧延によってほとんど変化することは無い。板材を圧延方向に平行に切断した断面において、求積法によって測定された平均結晶粒径から、再結晶段階での平均結晶粒径を推定することが可能である。
各合金のα相率は、300倍の金属顕微鏡写真(視野89×127mm)で判断した。前記のとおり、α、β、γ各相の区別は、非金属介在物等も含め容易である。β相又はγ相が存在する合金、試料については、その観察した金属組織を画像処理ソフト「WinROOF」を用い、β相およびγ相について2値化の処理を行ない、金属組織全体の面積に対するβ相、およびγ相の面積の割合を面積率とし、100%から合計のβ相、γ相の面積率を除し、α相率とした。なお、金属組織は3視野の測定を行い、それぞれの面積率の平均値を算出した。
<析出物>
析出物の平均粒径は次のようにして求めた。150,000倍(検出限界は、2nm)のTEMによる透過電子像を画像解析ソフト「Win ROOF」を用いて析出物のコントラストを楕円近似し、長軸と短軸の相乗平均値を視野内の中の全ての析出粒子に対して求め、その平均値を平均粒子径とした。析出物の平均粒径が約5nmより小さいものについては、750,000倍(検出限界は、0.5nm)で、析出物の平均粒径が約100nmより大きいものについては、50,000倍(検出限界は、6nm)で行った。透過型電子顕微鏡の場合、冷間加工材では転位密度が高いので析出物の情報を正確に把握することは難しい。また、析出物の大きさは、冷間加工によっては変化しないので、今回の観察は、仕上げ冷間圧延工程前の再結晶熱処理工程後の再結晶部分を観察した。測定位置は、圧延材の表面、裏面の両面から板厚の1/4の長さの2箇所とし、2箇所の測定値を平均した。
<耐変色性試験:高温高湿雰囲気試験>
材料の耐変色性を評価する耐変色性試験は、恒温恒湿槽(楠本化成株式会社HIFLEX FX2050)を用いて温度60℃、相対湿度95%の雰囲気中に各サンプルを暴露した。試験時間は24時間とし、試験後に試料を取り出し、暴露前後の材料の表面色を分光測色計によりLを測定し、暴露前後の色差を算出し評価した。高い濃度のZnを含有するCu−Zn合金では、変色が、赤褐色、赤色になることから、耐食性評価として、試験前後でのaの差、すなわち変化した値が「A」:1未満、「B」:1以上2未満、「C」:2以上とした。色差は試験前後でのそれぞれの測定値の違いを表し、数値が大きいほど耐変色性が劣ると判断でき、目視での評価ともよく一致していた。
<色調及び色差>
上述の耐変色性試験において評価する銅合金の表面色(色調)については、JIS Z 8722−2009(色の測定方法−反射及び透過物体色)に準拠した物体色の測定方法を実施し、JIS Z 8729−2004(色の表示方法─L表色系及びL表色系)で規定されているL表色系で示した。
具体的には、コニカミノルタ社製の分光測色計「CM−700d」を使用して、SCI(正反射光込み)方式で、試験前後のL、a、b値を測定し、評価した。なお、試験前後のL測定は3点測定し、その平均値を用いた。
評価結果を表6〜21に示す。ここで、合金No.1〜36、及び、試験No.1〜18、21〜37、41〜57、61〜78、101〜126が、本発明の銅合金に該当する。
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以上の評価結果から、組成及び組成関係式と特性に関して、次のようなことが確認された。
(1)Zn量が30mass%を超えると、曲げ加工性が悪くなり、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性が悪くなった。特にZn量が、29mass%より少ないと、より曲げ加工性が良くなり、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、及び耐変色性が良くなった。Zn量が18mass%より少ないと、強度が低くなり、耐変色性も悪くなった。Zn量が、19mass%以上であるとより強度が高くなった。(試験No.201、201A、213、33、212、73等参照)
(2)Ni量が、1mass%より少ないと、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性が悪くなった。Ni量が、1.1mass%より多いと、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性がより良くなった。(試験No.210、211、13等参照)
(3)Sn量が、0.2mass%より少ないと、強度、応力緩和特性が悪くなった。0.3mass%以上であると、強度、応力緩和特性がよくなった。Sn量が、1mass%を超えると、β相、γ相が出現し易くなり、曲げ加工性、延性が悪くなり、却って応力緩和特性、耐応力腐食割れ性が悪くなった。(試験No.203、204、53等参照)
(4)P量が、0.003mass%より少ないと、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性が悪くなった。結晶粒成長抑制作用が、効かなくなるので、結晶粒が大きくなり、強度が低くなる。P量が0.06mass%より多いと、曲げ加工性が悪くなった。(試験No.217、207、33等参照)
(5)関係式f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕が30を超えると、α相以外のβ相、γ相が出現し、曲げ加工性、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性が悪くなった。また、関係式f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕が曲げ加工性、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性、耐変色性の良否の境界値になることが分かった。なお、関係式f1が17より低いと強度が低くなる。18以上であると、或いは、20以上であると、より強度が高くなった。(試験No.205、206、215、220、101、103、13、213、212、110、73等参照)
(6)関係式f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕が26を超えると、耐応力腐食割れ性が悪くなった。25.5以下であると、より耐応力腐食割れ性がよくなる。14より低いと強度が低くなった。15以上であるとより強度が高くなった(試験No.216、215、214、213等参照)。なお、Cu−Zn合金(試験No.301〜304)において、応力腐食割れは、Zn量に依存し、Zn量:約25mass%が、過酷な環境で応力腐食割れに耐えられるかどうかの境界の含有量になった。
(7)関係式f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕が8より小さいと、応力緩和特性が悪くなった。10以上であると、応力緩和特性が更によくなった(試験No.115、206、101、23等参照)。
(8)Ni、Snの含有の効果により耐変色性は向上するが、関係式f4=〔Ni〕+〔Sn〕の値が、1.3より小さいと、耐変色性、応力緩和特性が悪くなった。1.4を超えると、さらに耐変色性、応力緩和特性が良くなった(試験No.214、111、33、211等参照)。
(9)関係式f5=〔Ni〕/〔Sn〕の値が、1.5より小さいと、または、5.5より大きいと応力緩和特性が悪くなった。1.7以上であると、4.5より小さいと、さらに、応力緩和特性が良くなった(試験No.209、214、204、216、220、221、108、109,73、53等参照)。関係式f5=〔Ni〕/〔Sn〕の値が、1.5より小さいと、β相または、γ相が存在しやすくなり、曲げ加工性が悪くなり、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性が悪くなった(試験No.220、221、204、209、220A、221A等参照)。
(10)関係式f6=〔Ni〕/〔P〕の値が、20より小さいと、または、400より大きいと応力緩和特性が悪くなった。25以上であると、または、250以下、更には100以下であると、さらに、応力緩和特性が良くなった。また、f6の値が、20より小さいと、曲げ加工性が悪くなった(試験No.207、208、217、101等参照)。
(11)Al、Fe、Co、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素から選択される少なくとも1種または2種以上を各々、0.0005mass%以上、0.05mass%以下、合計で0.0005mass%以上、0.2mass%以下含有すると、結晶粒が細かくなり、強度が少し高くなった(試験No.114〜123参照)。
(12)FeまたはCoを0.05mass%を超えて含有すると、析出物の平均粒径が3nmより小さくなり、強度は高くなるが、曲げ加工性悪くなり、応力緩和特性が悪くなった(試験No.218、219参照)。
(13)Snが1mass%より多い、Pが0.06mass%より多い、f6=〔Ni〕/〔P〕の値が20より小さい、または、f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕が30より大きいと、圧延方向と直交方向の耐力/引張強さが0.9より小さくなった(試験No.204〜207、215、101等参照)。
また、以上の評価結果から、製造工程と特性に関して、次のようなことが確認された。
(1)実生産設備において、焼鈍回数が、最終焼鈍を含み、2、3回であっても(工程A1−2と工程A2−1等)、また、最終焼鈍方法が連続焼鈍法、バッチ法であっても(工程A2−1と工程A2−2等)、回復熱処理が実験室で実施したバッチであっても、連続焼鈍法であっても(工程A1−1、工程A1−2と工程A1−3等)、最高到達温度Tmaxが適正で、指数Itの数値が適正範囲内であれば、本願において目標とする、強度、曲げ加工性、耐変色性、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性が得られた。回復熱処理を行うと、耐力/引張強さが大きくなった(工程A2−2と工程A2−4等)。
(2)実生産設備から得た前記諸特性と、小片にした工程Bで試作した諸特性は、同等であった(工程A2−1と工程B1−1等)。特に実生産設備の連続焼鈍法の結果とソルトバスで代用した実験で得た諸特性は、ほぼ同等であった(工程A2−3と工程B1−2等)。
(3)小片の実験室の試験において、最終焼鈍、または回復熱処理が連続焼鈍法、バッチ法であっても(工程B1−1と工程B1−3)、本願において目標とする、強度、曲げ加工性、耐変色性、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性が得られた。
(4)工程Bの小片サンプルで、1回焼鈍、焼鈍無しで仕上げ焼鈍のみ、または、熱間圧延工程無しで、焼鈍と冷間圧延を繰り返し試作した発明合金は、いずれも本願において、実生産設備から得た前記諸特性と同様、目標とする諸特性の銅合金板が得られた(工程B1−1と工程B2−1と工程B3−1と工程A1−1と工程A2−1)。
熱間圧延を経ない工程B3−1と工程B3−2では、最終焼鈍が、バッチ式、高温短時間式であっても、本願発明合金では、高温短時間式が応力緩和特性に関し少しよかったが、ほぼ同等の諸特性が得られた。
(5)応力緩和特性に関して、最終の焼鈍を、連続の高温短時間焼鈍方法で実施した方が、バッチ式焼鈍方法よりも、少し良かった(工程A1−2と工程A1−4、工程2−1とA2−2等)。バッチ式で行うと、NiとPの析出物が多くなり、固溶状態にあるNi、Pと、NiとPの析出物のバランスが影響しているものと思われる。最終前の焼鈍と最終焼鈍を両方ともに、連続の高温短時間焼鈍方法で実施すると、応力緩和特性が少し良かった(工程A2−9)。回復熱処理は、バッチ式の(300℃、30分保持)と、連続の高温短時間の(450℃−0.05分)とでは、ほとんど差がなかった(工程A1−1と工程A1−2等)。
(6)溶融Snめっきを想定した回復熱処理(300℃−0.07分)、(250℃−0.15分)は、他の回復熱処理条件に比べ、少し強度が高く、伸び値が低く、応力緩和特性の150℃での実効の応力値が少し悪くなったが、目標とする特性を達成することができた(工程A1−1、工程A1−2と工程A1−3等)。
(7)最終焼鈍温度が低い場合、結晶粒の大きさが細かくなり、平均結晶粒径が2μmより小さいと、強度(引張強さ、耐力)は向上するが、曲げ加工性が悪くなり、少し応力緩和特性も悪くなった(工程A2−1と工程A2−5、工程2−11とA2−2等)。
(8)最終焼鈍温度が高い場合、結晶粒の大きさが大きくなり、平均結晶粒径が12μmより大きいと、強度が低くなり、少し応力緩和特性も悪くなり、150℃での実効応力が低くなった。また、バッチ式で実施したため、金属組織が混粒状態になり、機械的性質の異方性が大きくなり、曲げ加工性、耐応力腐食割れ性が悪くなった(工程A2−6)。
(9)最終焼鈍を連続焼鈍法で行うと、平均結晶粒径が5〜9μmの少し大きめであっても、混粒もなく、均一な再結晶粒で構成されているので、応力緩和特性、曲げ加工性がよかった(工程A1−4、工程A2−7と工程A2−9等)。
(10)Zn量、Sn量が多い、f1の値が大きい、f5の値が小さいと金属組織中に、β相、γ相が残留しやすく、応力緩和特性、曲げ加工性、耐応力腐食割れ性が悪くなった(試験No.201、204、205、213、215、220等)。
(11)最終焼鈍を連続焼鈍法で行う場合、Zn量、Sn量が多い、f1の値が大きい、f5の値が小さいと、金属組織中に、β相、γ相がより多く存在し易くなり、応力緩和特性、曲げ加工性、耐応力腐食割れ性、耐変色性が悪くなった(試験No.201A、220A、221A等)。
(12)最終焼鈍後の結晶粒径をD1とし、その前の焼鈍工程後の結晶粒径をD0とし、仕上げ前冷間圧延の冷間加工率をRE(%)とすると、D0≦D1×6×(RE/100)を満たさないと、強度が低く、耐力/引張強さが低くなり、圧延方向に平行方向と直交方向の引張強さ、耐力の比が小さくなり、曲げ加工性、応力緩和特性が悪くなった。対象となる工程はB1−4であり、最終前の焼鈍後の結晶粒径は40μmであり、最終焼鈍後の結晶粒径は、各々6μm、7μmの混粒状態であり関係式を満たさなかった。工程B1−3は、最終前の焼鈍後の結晶粒径は10μmであり、最終焼鈍後の結晶粒径は、各々4μmであり関係式を満たすので、強度、曲げ加工性に優れ、耐力/引張強さが高くなり、応力緩和特性に優れていた。
(13)平均結晶粒径が5〜9μmの少し大きめの工程A2−7、A2−8、A2−9は、最終の加工率が25%であるが、少し強度が高くなるが、曲げ加工性、応力緩和特性、耐応力腐食割れ性も良好であった。
析出粒子径が、3nmより小さいと、または180nmより大きいと、応力緩和特性、曲げ加工性が悪くなった(試験No.10、30、50、218、219等)。
以上、本発明の銅合金によれば、耐変色性に優れ、強度が高く、曲げ加工性がよく、応力緩和特性に優れ、耐応力腐食割れ性が良好となることが確認された。
本発明の銅合金およびこの銅合金からなる銅合金板によれば、コストパフォーマンスに優れ、密度が小さく、りん青銅や洋白を上回る導電性を有するとともに、高い強度と伸び・曲げ加工性と導電率のバランスと、応力緩和特性に優れ、耐応力腐食割れ性、耐変色性、抗菌性に優れているため、様々な使用環境に対応することができる。
本発明の第8の態様である銅合金板の製造方法は、上述した第1〜5の態様である銅合金からなる銅合金板であって、鋳造工程と、対となる冷間圧延工程と焼鈍工程と、冷間圧延工程と、再結晶熱処理工程と、仕上げ冷間圧延工程と、回復熱処理工程と、を含み、銅合金または圧延材を熱間加工する工程を含まず、前記冷間圧延工程と前記再結晶熱処理工程との組み合わせ、及び、前記仕上げ冷間圧延工程と前記回復熱処理工程との組み合わせ、のいずれか一方、又は両方を行う構成とされており、前記再結晶熱処理工程は、連続熱処理炉を用い、延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で行われ、前記回復熱処理工程は、仕上げ冷間圧延後の銅合金材料を、連続熱処理炉を用い、圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で回復熱処理する。
本発明の第5の態様である銅合金は、上述した第1〜4の態様の銅合金において、コネクタ、端子、リレー、スイッチ電子・電気機器部品に用いられる。
本発明の第6の態様である銅合金板の製造方法は、上述した第1〜5の態様の銅合金からなる銅合金板の製造方法であって、前記銅合金を、鋳造する鋳造工程と、熱間圧延加工する熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程で得られる圧延材を、冷間加工率40%以上で冷間圧延加工する冷間圧延工程と、前記冷間圧延工程で得られる圧延材を、連続熱処理炉を用い、連続焼鈍法で、圧延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で、再結晶処理する再結晶熱処理工程と、を含む製造工程である。なお、銅合金板の板厚によっては、前記熱間圧延工程と前記冷間圧延工程との間に対となる冷間圧延工程とバッチ焼鈍を含む焼鈍工程とを1回又は複数回行ってもよい。
本発明の第7の態様である銅合金板の製造方法は、上述した第6の態様である銅合金板の製造方法であって、前記製造工程は、前記再結晶熱処理工程で得られる圧延材を仕上げ冷間圧延加工する仕上げ冷間圧延工程と、前記仕上げ冷間圧延工程で得られる圧延材を回復熱処理する回復熱処理工程をさらに有し、前記回復熱処理工程では、連続熱処理炉を用い、圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で、回復熱処理を行う。
次に、本発明の第1〜3の実施形態に係る銅合金の製造方法について説明する。
本発明の第6の態様である銅合金板の製造方法は、上述した第1〜5の態様の銅合金からなり、α単相の金属組織を有する銅合金板の製造方法であって、上述した第1〜3の態様に記載の成分組成とされた鋳塊を熱間圧延加工して熱間圧延材を得る熱間圧延工程と、前記熱間圧延材を、冷間加工率40%以上で冷間圧延加工して冷間圧延材を得る冷間圧延工程と、前記冷間圧延材を、連続熱処理炉を用い、連続焼鈍法で、前記冷間圧延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で、再結晶処理する再結晶熱処理工程と、を含。なお、銅合金板の板厚によっては、前記熱間圧延工程と前記冷間圧延工程との間に対となる冷間圧延工程とバッチ焼鈍を含む焼鈍工程とを1回又は複数回行ってもよい。
本発明の第8の態様である銅合金板の製造方法は、上述した第1〜5の態様である銅合金からなり、α単相の金属組織を有する銅合金板の製造方法であって、熱間加工する工程を含まず、上述した第1〜3の態様に記載の成分組成とされた鋳塊を得る鋳造工程冷間圧延工程、この冷間圧延工程と対となる焼鈍工程、仕上げ前冷間圧延工程、再結晶熱処理工程、仕上げ冷間圧延工程、を含み、さらに必要に応じて回復熱処理を含み、これらの工程を順番に行う構成とされており、前記再結晶熱処理工程は、連続熱処理炉を用い、前記仕上げ前冷間圧延工程後の仕上げ前冷間圧延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で行われ、前記回復熱処理工程は、前記仕上げ冷間圧延工程後の仕上げ冷間圧延材を、連続熱処理炉を用い、仕上げ冷間圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で回復熱処理する。

Claims (8)

  1. 18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、
    Znの含有量〔Zn〕mass%と、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量[Ni]mass%との間に、
    17≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、
    14≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦26、
    8≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦23、
    の関係を有するとともに、
    Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量〔Ni〕mass%との間に、
    1.3≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、
    1.5≦〔Ni〕/〔Sn〕≦5.5、
    の関係を有し、
    Niの含有量〔Ni〕mass%と、Pの含有量〔P〕mass%との間に、
    20≦〔Ni〕/〔P〕≦400、
    の関係を有しており、
    α単相である金属組織を有している銅合金。
  2. 19〜29mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.3〜1mass%のSnと、0.005〜0.06mass%のPと、を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、
    Znの含有量〔Zn〕mass%と、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量[Ni]mass%との間に、
    18≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、
    15≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦25.5、
    9≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦22、
    の関係を有するとともに、
    Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量〔Ni〕mass%との間に、
    1.4≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、
    1.7≦〔Ni〕/〔Sn〕≦4.5、
    の関係を有し、
    Niの含有量〔Ni〕mass%と、Pの含有量〔P〕mass%との間に、
    22≦〔Ni〕/〔P〕≦220、
    の関係を有しており、
    α単相である金属組織を有している銅合金。
  3. 18〜30mass%のZnと、1〜1.5mass%のNiと、0.2〜1mass%のSnと、0.003〜0.06mass%のPと、を含有するとともに、Al、Fe、Co、Mg、Mn、Ti、Zr、Cr、Si、Sb、As、Pb及び希土類元素から選択される少なくとも1種または2種以上を、各々0.0005mass%以上0.05mass%以下、かつ、合計で0.0005mass%以上0.2mass%以下含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、
    Znの含有量〔Zn〕mass%と、Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量[Ni]mass%との間に、
    17≦f1=〔Zn〕+5×〔Sn〕−2×〔Ni〕≦30、
    14≦f2=〔Zn〕−0.5×〔Sn〕−3×〔Ni〕≦26、
    8≦f3={f1×(32−f1)}1/2×〔Ni〕≦23、
    の関係を有するとともに、
    Snの含有量〔Sn〕mass%と、Niの含有量〔Ni〕mass%との間に、
    1.3≦〔Ni〕+〔Sn〕≦2.4、
    1.5≦〔Ni〕/〔Sn〕≦5.5、
    の関係を有し、
    Niの含有量〔Ni〕mass%と、Pの含有量〔P〕mass%との間に、
    20≦〔Ni〕/〔P〕≦400、
    の関係を有しており、
    α単相である金属組織を有している銅合金。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の銅合金であって、
    導電率が18%IACS以上27%IACS以下であり、平均結晶粒径が2〜12μmとされ、円形又は楕円形の析出物が存在し、該析出物の平均粒子径が3〜180nm、又は、該析出物の内で粒子径が3〜180nmの析出物が占める個数の割合が70%以上である銅合金。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の銅合金であって、
    コネクタ、端子、リレー、スイッチ等電子・電気機器部品に用いられる銅合金。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の銅合金からなる銅合金板であって、
    前記銅合金を熱間圧延加工する熱間圧延工程と、
    前記熱間圧延工程で得られる圧延材を、冷間加工率40%以上で冷間圧延加工する冷間圧延工程と、
    前記冷間圧延工程で得られる圧延材を、連続熱処理炉を用い、連続焼鈍法で、圧延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で、再結晶処理する再結晶熱処理工程と、を含む製造工程によって製造される銅合金板。
  7. 請求項6記載の銅合金板であって、
    前記製造工程は、前記再結晶熱処理工程で得られる圧延材を仕上げ冷間圧延加工する仕上げ冷間圧延工程と、前記仕上げ冷間圧延工程で得られる圧延材を回復熱処理する回復熱処理工程をさらに有し、
    前記回復熱処理工程では、連続熱処理炉を用い、圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で、回復熱処理を行う銅合金板。
  8. 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の銅合金からなる銅合金板の製造方法であって、
    鋳造工程と、対となる冷間圧延工程と焼鈍工程と、冷間圧延工程と、再結晶熱処理工程と、仕上げ冷間圧延工程と、回復熱処理工程と、を含み、
    銅合金または圧延材を熱間加工する工程を含まず、
    前記冷間圧延工程と前記再結晶処理工程との組み合わせ、及び、前記仕上げ冷間圧延工程と前記回復熱処理工程との組み合わせ、のいずれか一方又は両方を行う構成とされており、
    前記再結晶熱処理工程は、連続熱処理炉を用い、延材の最高到達温度が560〜790℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.04〜1.0分間である条件で行われ、
    前記回復熱処理工程は、仕上げ冷間圧延後の銅合金材料を、連続熱処理炉を用い、圧延材の最高到達温度が150〜580℃であり、最高到達温度マイナス50℃から最高到達温度までの高温領域の保持時間が0.02〜100分間である条件で回復熱処理する銅合金板の製造方法。
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