KR100513947B1

KR100513947B1 - 프레스성이 양호한 구리 합금 소재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100513947B1
Application number: KR10-2003-0018364A
Authority: KR
Inventors: 하라다히로시; 후까마찌가즈히꼬
Original assignee: 닛코 킨조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2005-09-09
Also published as: JP2004002989A; CN1448525A; CN100562592C; JP3619516B2; KR20030078673A; US20030211357A1

Abstract

(과제) 고강도재 및 저점도 프레스 오일에 대응할 수 있는, 금형 마모가 적은 전자재료용 구리 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(해결수단) Zn 을 25 ∼ 40 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.07 ∼ 0.13㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.3㎛ 이하이고, 산화피막두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.

Description

프레스성이 양호한 구리 합금 소재 및 그 제조방법 {A COPPER ALLOY HAVING GOOD PRESSING WORKABILITY AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은 프레스 금형 마모가 적은 구리 합금 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 전자부품 예컨대 단자나 커넥터 등의 각종 전자부품을 제조할 때의 프레스 가공에 있어서, 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 가짐으로써 금형의 마모를 억제하면서 사용수명을 향상시키는 구리 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 단자나 커넥터 등의 전자부품에는 기계적 강도 및 도전성, 나아가서는 납땜성이나 도금성 등의 관점에서 구리 합금이 사용되고, 최근에는 인청동이나 황동 등으로 대표되는 고용 강화형 구리 합금 대신에 시효 경화형 구리 합금의 사용량이 증가하고 있어 소재는 더욱 고강도화로 이행되는 추세에 있다.

그러나, 고강도재가 사용될수록 프레스 가공에서의 금형의 부하는 커지며 게다가 최근 프레스시에 사용되는 오일도 저점도이며 탈지하기 쉬운 것이 사용되는 경향이 있어 금형에 대한 부하는 더욱 가혹해지고 있기 때문에 금형 사용수명의 연장화가 요망되고 있다.

본 발명은 상기 기술한 문제를 해결하기 위해 고강도재 및 저점도 프레스 오일에 대응할 수 있는, 금형 마모가 적은 전자재료용 구리 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술한 문제에 대처하기 위해 검토한 결과, 소재 표면의 압연직각방향의 표면거칠기, 산화피막의 두께와 조성, 소재 표면의 표면장력을 제어함으로써 금형 마모를 저감할 수 있는 기술을 발견하였다.

즉,

(1) Zn 을 25 ∼ 40 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.07 ∼ 0.13㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.3㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재표면의 산화피막두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.

(2) Sn 을 3 ∼ 11 질량% 및 P 를 0.03 ∼ 0.35 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.07 ∼ 0.14㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.4㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재 표면의 산화피막 두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.

(3) Ni 를 1.5 ∼ 4.0 질량%, Si 를 0.30 ∼ 1.2 질량% 및 Mg 를 0.05 ∼ 0.20 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.05 ∼ 0.15㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.5㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재 표면의 산화피막 두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.

(4) Ti 를 0.5 ∼ 5 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.10 ∼ 0.18㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 2.0㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재 표면의 산화피막 두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.

상기 (1) ∼ (4)의 구리합금에는, 강도향상 등을 목적으로, Ag, Al, Co, Cr, Fe, In, Mg, Mn, Ni, P, Si, Ti, Zn, Zr 등을 총량으로 0.001 ∼ 1.5 질량% 첨가하는 것도 가능하다.

(5) 습윤장력 (표면장력) 이 30mN/m 이상인 (1) 내지 (4) 에 기재된 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.

(6) (1) 내지 (4) 의 조성을 갖는 커넥터용 구리 합금 소재에 있어서 (1) ∼ (4) 의 오일유지성이 양호한 표면거칠기가 기계적 표면처리에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 제조방법

(7) 기계적 표면처리를 표면연마에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 (6) 의 제조방법.

(8) 프레스 가공 직전에 기계적인 표면연마를 실시하는 것을 특징으로 하는 (7) 의 제조방법.

(9) 기계적 표면처리를 압연에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 (6) 의 제조방법.

그럼으로써, 프레스시의 오일유지성이 양호해지고, 금형 마모를 저감할 수 있음이 판명되었다.

용어의 설명

여기서,「산술평균거칠기 (Ra)」란 거칠기 곡선으로부터 그 평균선 방향으로 기준길이만큼 골라내어 이 골라낸 부분의 평균선 방향으로 X 축을, 세로배율 방향으로 Y 축을 취하고, 거칠기 곡선을 Y ＝ f(X) 로 나타냈을 때에, 식 (1) 에 의해 구해지는 값을 ㎛ 로 나타낸 것을 말한다.

(l: 기준길이)

또한,「최대높이 (Ry)」란 거칠기 곡선으로부터 그 평균선 방향으로 기준길이만큼 골라내어 이 골라낸 부분의 산정(山頂)선과 곡저(谷底)선의 간격을 거칠기 곡선의 세로배율 방향으로 측정하고, 이 값을 마이크로 미터 (㎛) 로 나타낸 것을 말한다.

발명의 실시형태

이하, 한정이유를 설명한다.

(1) 표면거칠기

소재 프레스시에, 프레스 오일의 피막의 개재가 불충분하면 금형 마모의 진행이 빨라진다. 상기 현상을 억제하기 위해서는 소재 표면에 어느 정도의 요철을 만들어 넣으면 오목부에 프레스 오일이 들어가 오일유지성이 양호해진다. 따라서, 거칠기의 파라미터, 상세하게는 Ra 및 Ry 로 규정할 필요가 있다. 본 발명의 전자부품용 소재의 Ra 를 상기 기술한 바와 같이 한정한 이유는 이보다 작으면 금형 마모의 저감효과는 나타나지 않으며, 이보다 크면 금형 마모의 저감효과는 포화되고, 또한 소재의 요철을 만들어 넣는 압연 또는 연마시에 금속분이 발생하여 소재 표면에 부착되고, 이것이 금형 마모를 일으키기 때문이다. Ry 를 상기 기술한 바와 같이 한정한 이유는 이보다 커지면 프레스에 의한 굽힘가공시에 소재의 요철을 기점으로 굽힘균열을 발생시키기 쉬워지기 때문이다.

또한 Ra 및 Ry 를 품종별로 한정한 이유는 소재의 강도가 높아짐에 따라 거칠기를 보다 높게 하면 금형 마모의 저감효과가 크다는 것과, 석출 강화형 합금 (코르손, 티탄구리계) 은 고용 강화형 합금 (황동, 인청동계) 에 비해 거칠기를 높게 설정하는 편이 동일한 효과가 얻어지기 때문이다. 따라서, 청구항 1 의 조성을 갖는 소재에 대해서는 산술평균거칠기 (Ra) 를 0.07 ∼ 0.13㎛ 또한 최대높이 (Ry) 를 1.3㎛ 이하, 청구항 2 의 조성을 갖는 소재에 대해서는 산술평균거칠기 (Ra) 를 0.07 ∼ 0.14㎛ 또한 최대높이 (Ry) 를 1.4㎛ 이하, 청구항 3 의 조성을 갖는 소재에 대해서는 산술평균거칠기 (Ra) 를 0.05 ∼ 0.15㎛ 또한 최대높이 (Ry) 를 1.5㎛ 이하, 청구항 4 의 조성을 갖는 소재에 대해서는 산술평균거칠기 (Ra) 를 0.10 ∼ 0.18㎛ 또한 최대높이 (Ry) 를 2.0㎛ 이하로 한정하였다.

이들 표면거칠기는 기계적 표면처리에 의해 얻어진다. 하나는 압연공정에서의 압연 롤의 거칠기를 조정함으로써, 또 하나는 압연후의 표면을 기계연마함으로써 얻을 수 있다.

(2) 산화피막 두께, 산화피막의 조성

소재 표면의 산화피막 두께가 3㎚ 미만이면 프레스시에 금형과 접촉하였을 때의 응착에 의한 금형 마모가 발생되기 쉬워지고, 80㎚ 를 초과하면 프레스 오일의 습윤성이 악화되어 금형 마모가 발생되기 쉬워진다. 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 를 하회하면 CuO 농도가 높아지고 프레스 오일의 습윤성이 악화되어 금형 마모가 발생되기 쉬워진다. 소재 표면의 산화피막 두께, 조성의 조정은 소재를 제조공정에서의 소둔공정의 소둔분위기에 의해 컨트롤할 수 있다. 또한, 산화피막 두께에 대해서는 산세척공정이 있는 경우에는 그 조건 (산세척 조건, 수세척, 건조 조건) 에서도 컨트롤이 가능하다.

(3) 습윤장력

습윤장력이 30mN/m 미만이면 프레스 오일의 습윤성이 악화되어 금형 마모가 발생되기 쉬워진다. 습윤장력에 대해서는 표면거칠기, 산화피막 두께, 조성의 조정을 실시함으로써 얻어지므로, 압연공정, 소둔공정, 산세척공정에서 각각의 조건을 컨트롤할 필요가 있다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 효과를 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 먼저, 전기동 또는 무산소동을 원료로 하고, 필요에 따라 다른 첨가원소와 함께 진공 용해로 중에 소정량 투입한 후, 용탕온도 1250℃ 에서 출탕하여 표 1 에 나타내는 성분조성의 잉곳을 얻었다.

합금 No.	Zn	Sn	P	Ni	Si	Mg	Ti	Cu 및 불순물
1	30.27	-	-	-	-	-	-	잔부
2	34.88	-	-	-	-	-	-	잔부
3	-	4	0.04	-	-	-	-	잔부
4	-	7.98	0.02	-	-	-	-	잔부
5	-	-	-	1.73	0.44	0.09	-	잔부
6	-	-	-	2.6	0.71	0.19	-	잔부
7	-	-	-	-	-	-	2.9	잔부
8	-	-	-	-	-	-	3.15	잔부

다음에, 이들 잉곳을 950℃ 의 온도에서 열간압연을 실시함으로써 두께 10㎜ 의 판으로 하였다. 그 후, 표층의 산화층을 기계연마에 의해 제거하고, 냉간압연에 의해 5㎜ 의 판으로 한 후, 고용 강화형 구리 합금의 경우에는 1 회째의 재결정 소둔을, 시효 석출형 구리 합금의 경우에는 용체화 처리를 실시하였다. 그 후 다시 냉간압연을 실시하고, 중간판두께 1.5㎜ 의 판을 얻은 후, 이 판두께에서 2 회째의 재결정 소둔 또는 용체화 처리를 실시하였다. 소둔분위기를 조정하여 산화피막이 다른 것을 만들었다. 그 후 최종 냉간압연에 의해 두께 0.15㎜ 의 판을 만들고, 고용 강화형 구리 합금에 대해서는 그 상태에서 각종 거칠기를 갖는 연마제 및 SiC 를 함유시킨 버프를 이용하여 기계적으로 표면을 연마하고, 시효 석출형 구리 합금의 경우에는 강도가 가장 높아지는 온도조건에서 Ar 등 비산화성 분위기에서 시효 처리를 실시한 후, 각종 거칠기를 갖는 연마제 및 SiC 를 함유시킨 버프를 이용하여 표면을 연마하였다. 또한 이와는 별도로, 거의 동일한 조건에서 2회 째의 재결정 소둔 또는 용체화 처리를 행한 후, 최종 압연시에 롤 연삭시의 지석(砥石)의 입도를 조정하여, 각종 거칠기를 갖는 압연 롤을 사용하여 압연하고, 시효 석출형 동합금의 경우는, Ar 등의 비산화성 분위기에서 시효처리를 행하여, 표면거칠기가 다른 재료를 평가하였다.

산화피막의 측정에 대해서는 GDS (글로 방전 발광 분광 분석장치) 를 사용하여 산소의 깊이방향 프로파일이 표층에서부터의 저하에서 2% 를 하회한 깊이를 산화비교의 두께로서 구하였다.

또한, 산화피막의 조성의 측정에 대해서는 GDS 를 사용하여 산소의 깊이 프로파일에 있어서 표층 근방에서 가장 농도가 높아지는 부위에서의 합금원소 농도의 총합에 대한 Cu 를 제외한 합금원소 농도의 총합의 비에 의해 구하였다.

습윤장력의 측정은 JIS 규격「플라스틱-필름 및 시트-습윤장력 시험 방법」 JIS K 6768:1999 의 규정에 준거하였다.

이어서, 얻어진 각종 구리 합금 판재에 대해 펀칭형 금형 마모시험을 실시하였다. 이 시험은 금형으로서 시판중인 Co: 0.16%, WC: 잔부로 이루어지는 조성을 갖는 WC 기 초경합금제의 것을 사용하고, 직경 3㎜ 의 원형 칩을 70 만개 펀칭하고, 펀칭가공 개시로부터 20 개의 구멍직경과 70 만개의 펀칭가공 종료직전의 20 개의 평균값으로부터 변화량을 구하여 금형의 마모량으로 하고, 종래 구리 합금재에 상당하는 조성을 갖는 본 발명예의 마모량을 1 로 하고, 본 발명과 같은 합금 No. 의 비교 구리 합금재의 마모량을 상대값으로 나타내고, 구리 합금 판재의 펀칭에 대한 마모억제효과를 평가하였다.

(실시예 1)

청구항 1 에 기재된 합금계에 대한 발명예, 비교예를 표 2 에 나타낸다. 표 2에는 소둔시의 산소농도, 기계연마에서 버프의 입도, 압연 롤의 연삭시의 숫돌 입자의 입도를 부기하였다. 본 발명예 No.1 및 No.5 는 습윤장력이 우수하여 마모억제효과를 얻었다. 표면거칠기에 대해 기계연마에 의해 조정한 No.1 과 압연 롤의 거칠기에 의해 조정한 No.5 에 대해 마모량의 차이는 관찰되지 않았다. 따라서, 비교예의 마모량은 비교예 No.2 ∼ No.3 에 대해서는 No.1 을 1 로 하였을 때의 상대값, 비교예 No.5 ∼ No.8 에 대해서는 No.5 를 1 로 하였을 때의 상대값으로 나타낸다. 비교예 No.2 는 산화피막이 80㎚ 를 초과하기 때문에, 비교예 No.3 은 산화피막이 3㎚ 미만이기 때문에, 두 경우 모두 금형의 마모량이 증가하였다. 또한 비교예 No.4 에서는 산화피막의 CuO 이외의 농도가 10원자% 이하이기 때문에 금형의 마모량이 증가하였다. 비교예 No.6 에서는 Ra 가 0.07㎛ 미만이기 때문에, 비교예 No.7 에서는 0.13㎛ 를 초과하기 때문에 금형의 마모량이 증가하였다. 비교예 No.8 에서는 Ry 가 1.3㎛ 를 초과하기 때문에 금형의 마모량이 증가하였다.

(실시예 2)

청구항 2 에 기재된 합금계에 대한 발명예, 비교예를 표 3 에 나타낸다. 본 발명예 No.9 및 No.13 에 대해 No.10 (산화피막의 두께가 80㎚ 를 초과하는 경우), No.11 (산화피막의 두께가 3nm 미만인 경우), No.12 (산화피막의 CuO 이외의 농도가 10원자% 미만인 경우), No.14 (Ra 가 0.07㎛ 미만인 경우), No.15 (Ra 가 0.14㎛ 를 초과하는 경우), No.16 (Ry 가 1.4㎛ 를 초과하는 경우) 이 비교예이다.

(실시예 3)

청구항 3 에 기재된 합금계에 대한 발명예, 비교예를 표 4 에 나타낸다. 본 발명예 No.17 및 No.21 에 대해 No.18 (산화피막의 두께가 80㎚ 를 초과하는 경우), No.19 (산화피막의 두께가 3㎚ 미만인 경우), No.20 (산화피막의 CuO 이외의 농도가 10원자% 미만인 경우), No.22 (Ra 가 0.05㎛ 미만인 경우), No.23 (Ra 가 0.15㎛ 를 초과하는 경우), No.24 (Ry 가 1.5㎛ 를 초과하는 경우) 가 비교예이다.

(실시예 4)

청구항 4 에 기재된 합금계에 대한 발명예, 비교예를 표 5 에 나타낸다. 본 발명예 No.25 및 No.29 에 대해 No.26 (산화피막의 두께가 80㎚ 를 초과하는 경우), No.27 (산화피막의 두께가 3㎚ 미만인 경우), No.28 (산화피막의 CuO 이외의 농도가 10원자% 미만인 경우), No.30 (Ra 가 0.10㎛ 미만인 경우), No.31 (Ra 가 0.18㎛ 를 초과하는 경우), No.32 (Ry 가 2.0㎛ 를 초과하는 경우) 가 비교예이다.

이와 같이, 본 발명의 구리 합금 소재는 금형 마모를 현저히 억제할 수 있다. 따라서, 전자부품 등의 가공에 대해 보다 고강도의 재료를 사용하는 경우나 저점도 프레스 오일을 사용하는 경우에도 대응이 가능하다.

Claims

Zn 을 25 ∼ 40 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.07 ∼ 0.13㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.3㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재표면의 산화피막두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.
Sn 을 3 ∼ 11 질량% 및 P 를 0.03 ∼ 0.35 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.07 ∼ 0.14㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.4㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재 표면의 산화피막 두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.
Ni 를 1.5 ∼ 4.0 질량%, Si 를 0.30 ∼ 1.2 질량% 및 Mg 를 0.05 ∼ 0.20 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.05 ∼ 0.15㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 1.5㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재 표면의 산화피막 두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.
Ti 를 0.5 ∼ 5 질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 합금 소재로서, 압연직각방향의 산술평균거칠기 (Ra) 가 0.10 ∼ 0.18㎛ 또한 최대높이 (Ry) 가 2.0㎛ 이하인 오일유지성이 양호한 표면거칠기를 갖고, 소재 표면의 산화피막 두께가 3 ∼ 80㎚ 이고 또한 산화피막 중의 Cu 이외의 합금원소의 산화물이 10원자% 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 습윤장력 (표면장력) 이 30mN/m 이상인 프레스 금형 마모가 적은 커넥터용 구리 합금 소재.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항의 조성을 갖는 커넥터용 구리 합금 소재에 있어서 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항의 오일유지성이 양호한 표면거칠기가 기계적 표면처리에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 6 항에 있어서, 기계적 표면처리를 표면연마에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 7 항에 있어서, 프레스 가공 직전에 기계적인 표면연마를 실시하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 6 항에 있어서, 기계적 표면처리를 압연에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 제조방법.