KR100525024B1

KR100525024B1 - 벤딩성이 우수한 구리합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100525024B1
Application number: KR10-2003-0036786A
Authority: KR
Inventors: 이즈미찌히로; 하따노다까아끼
Original assignee: 닛꼬 긴조꾸 가꼬 가부시키가이샤
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-10-31
Also published as: JP3908987B2; CN100558920C; CN1470660A; KR20030097656A; JP2004027257A; US20040003878A1

Abstract

(과제) 강도가 우수하며 양호한 벤딩성을 갖는 티탄구리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(해결수단) 1.0∼4.5 질량%의 Ti를 함유하며 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 합금 중에 석출된 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 직경이 3㎛ 이하이고, 합금 중에 석출된 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수가 압연방향에 직각인 단면에서 1000㎛² 당 평균으로 700개 이하이며, 또한 결정입경이 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리.

Description

벤딩성이 우수한 구리합금 및 그 제조방법 {COPPER ALLOY HAVING EXCELLENT BENDABILITY AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은 강도가 우수하며 양호한 벤딩성을 갖는 구리합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

단자, 커넥터 등에 사용되는 구리합금은 제품의 기본 특성으로 강도 및 전기전도성이 높은 것이 요구된다. 또, 최근 전자기기 제품의 소형화에 따라 그 단자부품의 소형화, 박형화도 현저하고, 단자, 커넥터 등의 금속부재도 가혹하면서 복잡한 벤딩가공이 이루어지기 때문에 벤딩가공성이 양호한 재료가 요구되고 있다.

고강도의 구리합금으로 최근 시효 경화형 구리합금의 사용량이 증가하고 있다. 용체화 처리된 과포화 고용체를 시효 처리함으로써 미세한 석출물이 균일하게 분산되어 합금의 강도가 높아진다. 시효 경화형 구리합금 중에서도 Ti를 함유하는 구리합금(이하, 티탄구리)은 높은 기계적 강도와 우수한 가공성을 갖고 있기 때문에, 전자기기의 각종 단자, 커넥터로서 널리 사용되고 있다.

티탄구리와 마찬가지로 고강도 구리합금으로서 베릴륨구리도 제조되고 있지만, 베릴륨 화합물이 독성을 갖고 있는 점, 그리고 제조공정이 복잡하여 비용이 비싸다는 문제점이 있기 때문에, 높은 강도와 양호한 벤딩성을 갖는 티탄구리에 대한 수요가 높아지고 있다.

티탄구리는 시효 처리로 구리 매트릭스 중에 Cu-Ti계 금속간 화합물을 석출시킴으로써 높은 강도를 얻을 수 있는 구리합금이다.

그러나, 티탄구리가 높은 강도를 얻는 데에 기여하는 것은 미세한 석출물이고, 조대한 석출물은 강도 향상에는 기여하지 못한다. 오히려 재료를 벤딩 가공했을 때 균열의 기점이 되어 재료의 벤딩성을 저하시키는 폐해를 일으킬 가능성이 있다.

시효 처리 전의 용체화 처리 온도를 높게 설정하면, 조대한 석출물은 보이지 않지만 결정립이 커져 최근 요구되는 품질의 보다 높은 강도에 대해서는 불충분해지고 있다.

한편, 용체화 처리 온도를 낮게 설정하면 결정립은 미세화되지만, 조대한 석출물이 매트릭스 중에 잔존하여 재료를 벤딩 가공했을 때 균열의 기점이 되어 재료의 벤딩성을 저하시키는 폐해가 될 수 있다.

또, 조대한 석출물 발생과 관련하여 시효 처리 전의 용체화 처리의 조건뿐아니라 열간 압연시의 조건에서도 잔존할 가능성이 있다.

본 발명은 상기 기술한 문제 해결을 위해 이루어진 것으로, 강도가 우수하며 양호한 벤딩성을 갖는 티탄구리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은 티탄구리를 제조할 때 열간압연 및 용체화 처리의 열처리 조건을 적정화시켜 강도에 기여하지 못하는 조대한 석출물을 제어함으로써, 티탄구리의 강도 및 벤딩성을 개선시키는 것을 발견하였다.

즉,

(1) 1.0∼4.5 질량%의 Ti를 함유하며 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 합금 중에 석출된 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 직경이 3㎛ 이하이고, 합금 중에 석출된 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수가 압연방향에 직각인 단면에서 1000㎛² 당 평균으로 700개 이하, 바람직하게는 6∼700이며, 또한 압연방향에 직각인 단면의 평균결정입경이 10㎛ 이하, 인장강도가 890MPa 이상인 것을 특징으로 하는 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리.

(2) 주괴의 열간압연, 냉간압연, 용체화 처리, 냉간압연, 시효 처리를 순차적으로 행하는 티탄구리의 제조방법에서, 주괴를 850℃ 이상 950℃ 이하의 온도에서 30분 이상 가열한 후, 열간압연 종료온도를 700℃ 이상에서 열간 압연하고, 용체화 처리에서 Cu 중의 Ti의 용해도가 함유하는 Ti 농도와 동등해지는 온도 T℃에 대하여 (T-50)℃ 이상, (T+10)℃ 이하의 범위에서 소둔시킨 후, 냉각속도 100℃/s 이상에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리의 제조방법.

(3) 용체화 처리와 시효 사이의 냉간압연에서 가공도를 50% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(2)에 기재된 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리.

한편, 사용될 Cu-Ti의 상태도는 도 1에 나타낸 「P. R. Subramanian, D. J. chakrabarti and D. E. Laughlin: Phase Diagrams of Binary Copper Alloys, ASM International, 447-460(1994)」이다.

또, Cu 중의 Ti의 용해도가 함유하는 Ti 농도와 동등해지는 온도 T℃는 도 1에 나타낸 바와 같이 고용도 곡선상의 온도로, 예컨대 Ti 농도가 2.6질량%인 경우 T℃는 755℃이다.

발명의 실시형태

다음에 본 발명을 상세하게 설명한다.

(1) Ti 농도

티탄에는 티탄구리합금을 시효 처리했을 때에 스피노달 분해를 일으켜 모재 중에 농도의 변조구조를 생성하고, 그럼으로써 매우 높은 강도를 확보하는 작용이 있다. 티탄농도가 1.0질량% 미만인 경우에는 시효에 의한 재료의 강화는 기대할 수 없다. 또, 티탄농도가 4.5질량%를 초과하면 시효시에 결정입계에 석출물이 발생하기 쉬워지기 때문에, 반대로 강도가 저하되거나 재료를 벤딩 가공한 경우에 입계 균열을 일으키기 쉬워진다. 그래서, 티탄농도는 1.0∼4.5질량%로 하는 것이 바람직하다. 또, 티탄에 추가로 총량으로 1.0질량% 이하의 크롬, 지르코늄, 니켈, 철 등을 첨가해도 동일한 효과를 기대할 수 있다.

(2) 합금 중에 석출된 Cu와 Ti의 금속간 화합물

티탄구리에서는 매트릭스 중에 Cu와 Ti의 금속간 화합물을 석출시켜 높은 강도를 얻지만, 강도에 기여하는 Cu와 Ti의 금속간 화합물은 직경이 0.2㎛ 미만인 미세한 것이다. 직경이 0.2㎛ 이상인 금속간 화합물은 강도에 기여하지 못할 뿐아니라 재료를 벤딩 변형시켰을 때 균열의 기점이 된다. 특히 직경이 3㎛를 초과하는 크기의 금속간 화합물은 벤딩성의 열화가 현저하므로, 금속간 화합물의 직경은 3㎛ 이하로 할 필요가 있다. 또, 0.2∼3㎛ 크기의 금속간 화합물이라도 압연방향에 직각인 단면에서 1000㎛² 당 평균으로 700개를 초과하면 벤딩성에 영향을 미치는 것을 발견하였다. 따라서, 합금 중에 석출된 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 직경이 3㎛ 이하이고, 또한 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수가 압연방향에 직각인 단면에서 1000㎛² 당 평균으로 700개 이하로 한다. 또, Cu와 Ti의 금속간 화합물의 조성은 Cu_3∼4Ti이다.

한편, 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물은 프레스 타발 가공시에 크랙의 전파를 촉진시켜 프레스 금형의 마모를 방지하기 때문에, 1000㎛² 당 평균으로 6개 이상 있으면 금형의 수명이 길어진다. 그래서, 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물은 보다 바람직하게 1000㎛² 당 평균으로 6∼700개로 한다.

(3)결정입경

결정립은 재료의 강도나 벤딩성에 크게 영향을 미친다. 결정입경이 10㎛를 초과하면 원하는 강도를 얻을 수 없다. 또, 재료를 벤딩 가공했을 때에 재료 표면이 쉽게 거칠어진다. 따라서, 결정입경은 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 결정입경의 측정은 압연방향에 직각인 단면의 조직을 에칭(물(100mL)-FeCl₃(5g)-HCl(10mL))으로 현출시켜 절단법(JIS H 0501)에 준하여 행하는 것으로 한다.

(4) 제조방법

본 발명의 티탄구리의 제조에서는, 주괴의 열간압연, 냉간압연, 용체화 처리, 냉간압연, 시효처리를 순차적으로 행한다. 또, 최초의 냉간압연 종료 후에 재결정을 목적으로 한 소둔을 행하고, 그 이후 냉간압연한 후 용체화 처리할 수도 있다. 다음에, 제조방법을 나타낸다.

① 열간압연

통상 주괴의 제조는 반연속 주조에서 이루어진다. 주조할 때 응고과정에서 Cu-Ti계의 조대한 금속간 화합물이 생성되는 경우가 있다. 조대한 금속간 화합물은 850℃ 이상의 온도에서 30분 이상 가열한 후에 열간 압연하고, 종료온도를 700℃ 이상으로 함으로써 매트릭스 중에 고용(固溶)된다.

그러나, 열간 압연 전의 가열온도가 950℃를 초과하면 재료 표면에 강고한 산화 스케일이 발생하여 압연할 때 균열의 원인이나 산화 스케일의 제거에 의한 수율 저하를 가져온다. 따라서, 열간 압연시의 가열온도는 850℃ 이상 950℃ 이하로 한다.

② 용체화 처리

용체화 처리에서 균일한 Cu와 Ti의 금속간 화합물을 얻기 위해서는, 도 1에 나타낸 고용도선 이상의 온도, 구체적으로는 Cu 중의 Ti의 용해도가 함유하는 Ti 농도와 동등해지는 온도 이상에서 행하는 것이 통례이다. 단, 소둔온도가 높으면 결정립이 성장해 버려 충분한 강도, 양호한 벤딩성을 얻을 수 없다. 본 발명에서 결정입경을 10㎛ 이하로 하기 위해서는, Cu 중의 Ti의 용해도가 함유하는 Ti 농도와 동등해지는 온도 T℃에 대하여 (T+10)℃ 이하의 범위에서 소둔시킬 필요가 있다. 또, 용체화 처리 온도가 (T-50)℃ 미만인 경우에는, Cu 중에 Ti가 고용되지 않아, Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수가 본 발명의 범위에서 벗어나게 된다. 따라서, 용체화 처리는 (T-50)℃ 이상, (T+10)℃ 이하에서 행하는 것으로 한다.

또, 소둔 후의 재료 냉각속도가 100℃/s 미만인 경우에는, 결정입계에 금속간 화합물이 석출되어 재료에 벤딩 응력을 가했을 때에 입계 균열의 원인이 되기 때문에, 용체화 처리시의 냉각속도는 100℃/s 이상으로 해야 한다. 이 때의 냉각방법은 특별히 한정되지 않는다.

③ 냉간압연

높은 강도를 얻기 위해서는, 용체화 처리 후의 냉간압연에서 가공도를 높게 하면 되지만, 가공도가 50%를 초과하면 재료의 가공 경화가 현저하고 또 압연에 의한 집합조직이 발달하여 압연과 직각방향의 벤딩성이 현저히 열화되기 때문에, 용체화 처리 후의 냉간압연에서의 가공도는 50% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 890MPa 이상의 고강도재를 얻기 위해서는, Ti 함유량이 3질량%이면 10% 정도 이상에서 가능해진다. 그 이후의 시효 처리에서는 원하는 강도, 도전율을 얻기 위해 행하지만, 본 발명의 구리합금에서는 300∼600℃에서 행하는 것이 적절하다.

실시예

전기구리 또는 무산소구리를 원료로 하여 고주파 진공용해로에서 표 1에 나타낸 각종 조성을 갖는 잉곳(두께 20㎜)을 주조하였다. 다음으로, 이 잉곳을 표 1에 기재된 온도에서 두께 8㎜까지 열간 압연하고, 표면의 산화 스케일 면을 제거한 후, 냉간압연에 의해 두께 0.43㎜의 판으로 만들었다. 그 이후의 용체화 처리에서는, 각 조성에서 표 1에 나타낸 온도에서 30초간 소둔시킨 후, 표 1에 나타낸 냉각속도로 실온까지 냉각시켰다.

그 이후 가공도 30%에서 냉간 압연한 후(두께 0.3㎜), 각 시험용재에 대해 최고 강도가 얻어지는 조건에서 시효 처리하였다. 여기서, 표 중의 실시예 No.9에 대해서는 재료의 벤딩성에 대한 가공도의 영향을 확인하기 위해서 최종가공도를 60%로 하였다.

이와 같이 수득된 각 합금에 대해서 여러 특성을 평가하였다. 강도에 대해서는 인장시험기로 인장강도를 측정하였다(JIS Z 2241). 벤딩성은 W 벤딩 시험(JIS H 3130)에 준거하여 벤딩 반경/판 두께 = 2의 조건에서 평가하였다. 벤딩 후의 시험용재 표면의 벤딩 볼록부를 광학현미경으로 관찰하여, 균열이 발생하지 않은 것은 ○, 주름이 현저히 발생한 것은 △, 균열이 발생한 것을 ×로 하였다.

결정입경의 측정은 압연방향에 직각인 단면의 조직을 에칭(물(100mL)-FeCl₃(5g)-HCl(10mL))으로 현출시켜 절단법(JIS H 0501)에 준하여 행하였다. 이 절단법에서는 판 두께 방향의 평균입경 및 폭 방향의 평균입경을 구하여 이들 평균값을 평균결정입경으로 하였다. 합금 중에 석출된 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 관찰에서는 재료의 압연방향에 직각인 단면을 #150의 내수연마지로 연마한 후, 입경 40㎚의 콜로이드성 실리카를 혼탁시킨 마무리용 연마제로 경면 연마한 후, 시료를 카본 증착시켜 FE-SEM(닛폰 FEI㈜ 제조, XL30SFEG)을 사용하여 반사 전자상을 관찰하였다. 관찰 시야는 1000㎛²로 각 합금에 대해 시야를 바꾸면서 5군데를 관찰하였다. 표 1의 금속간 화합물의 크기에 대해서는, 관찰 시야에서 Cu와 Ti의 금속간 화합물을 함유하는 최소 원의 직경을 실측하여 구하고, 크기가 3㎛를 초과하는 것이 존재하는 경우 ×로 평가하였다. 또, 금속간 화합물의 개수는 5군데의 관찰 시야에서의 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수를 평균한 것이다.

표 1에서 알 수 있듯이 본 발명예는 우수한 강도 및 벤딩성을 갖고 있다. 또, 발명예 No.9는 발명예 No.8과 비교하여 성분, 열간압연 전의 재료 가열온도, 열간압연 종료온도, 용체화 처리시의 소둔온도 및 용체화 처리 후의 냉각속도가 동일하고, 가공도가 청구항 4에서 규정하는 범위를 벗어난 것으로, 본 발명예 No.8보다 인장강도는 높은 값을 나타내지만 벤딩성은 약간 떨어진다.

한편, 비교예 No.1∼2는 청구항 1에 기재된 Ti 농도보다 낮기 때문에 강도가 충분치 않다. 또, 청구항 1에 기재된 Ti 농도의 상한값을 초과하고 있는 비교예 No.3∼4에서는 입계에 Cu와 Ti의 금속간 화합물이 석출되었기 때문에 강도는 떨어진다. 또, 직경이 3㎛ 이상인 조대한 금속간 화합물은 존재하지 않았지만, 직경이 0.2∼3㎛인 금속간 화합물의 개수가 청구항 1에 기재된 범위를 초과하였기 때문에 벤딩성이 떨어진다.

비교예 No.5는 청구항 3에 기재된 열간 압연 전의 재료 가열온도보다 낮기 때문에, 비교예 No.6은 청구항 3에 기재된 열간압연 종료온도보다 낮기 때문에, 비교예 No.7은 청구항 3에 기재된 용체화 처리 후의 냉각속도보다 느리기 때문에, 직경이 3㎛ 이상인 조대한 금속간 화합물이 존재하였다. 또한, 비교예 No.6, No.7에서는 직경이 0.2∼3㎛인 금속간 화합물의 개수가 700개 이상이기 때문에 벤딩성이 떨어진다.

또, 비교예 No.8, 9는 발명예 No.8과 비교하여 성분, 열간압연 전의 재료 가열온도, 열간압연 종료온도, 용체화 처리 후의 냉각속도 및 최종가공도가 동일하고, 용체화 처리시의 소둔온도가 본 발명의 청구항 3의 기재에서 벗어난 예이다.

비교예 No.8은 용체화 처리 온도가 낮아서 용체화 처리시에 Ti가 완전히 고용되지 않았기 때문에, 직경이 3㎛ 이상인 조대한 금속간 화합물이 존재하고, 직경이 0.2∼3㎛인 금속간 화합물의 개수가 700개 이상이 되므로 벤딩성이 떨어진다. 또한 금속간 화합물이 재료의 인장시에 파단의 기점이 되었기 때문에 본 발명예 No.8에 비해 인장강도가 떨어진다.

비교예 No.9는 용체화 처리 온도가 높아서 결정입경이 성장하여 발명예 No.8에 비해 인장강도가 떨어진다.

이상과 같은 설명에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의하면 티탄구리를 제조할 때 열간압연 및 용체화 처리의 열처리 조건을 적정화시켜 강도에 기여하지 못하는 조대한 석출물을 제어함으로써, 티탄구리의 강도 및 벤딩성을 개선시켜 전자기기의 소형화, 박형화에 대응할 수 있는 강도 및 벤딩성이 우수한 구리합금을 제공할 수 있다.

도 1은 Cu-Ti계의 상태도이다.

Claims

1.0∼4.5 질량%의 Ti를 함유하며 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 합금 중에 석출된 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 직경이 3㎛ 이하이고, 합금 중에 석출된 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수가 압연방향에 직각인 단면에서 1000㎛² 당 평균으로 700개 이하이며, 또한 압연방향에 직각인 단면의 평균결정입경이 10㎛ 이하, 인장강도가 890MPa 이상인 것을 특징으로 하는 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리.

제 1 항에 있어서, 상기 합금 중에 석출된 0.2∼3㎛ 크기의 Cu와 Ti의 금속간 화합물의 개수가 압연방향에 직각인 단면에서 1000㎛² 당 평균으로 6∼700개인 것을 특징으로 하는 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리.

주괴의 열간압연, 냉간압연, 용체화 처리, 냉간압연, 시효 처리를 순차적으로 행하는 티탄구리의 제조방법에서, 주괴를 850℃ 이상 950℃ 이하의 온도에서 30분 이상 가열한 후, 열간압연 종료온도를 700℃ 이상에서 열간 압연하고, 용체화 처리에서 Cu 중의 Ti의 용해도가 함유하는 Ti 농도와 동등해지는 온도 T℃에 대하여 (T-50)℃ 이상, (T+10)℃ 이하의 범위에서 소둔시킨 후, 냉각속도 100℃/s 이상에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리의 제조방법.

제 3 항에 있어서, 용체화 처리와 시효 사이의 냉간압연에서 가공도를 50% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 강도 및 벤딩가공성이 우수한 티탄구리의 제조방법.