KR101294508B1

KR101294508B1 - 구리합금 전신재, 구리합금 부품 및 구리합금 전신재의 제조방법

Info

Publication number: KR101294508B1
Application number: KR1020117031351A
Authority: KR
Inventors: 이사오 다카하시; 히데오 가네코; 지즈나 가마타; 요시히로 야마모토; 겐사쿠 오다; 가즈오 구라하시; 가즈히로 고세키
Original assignee: 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-08-07
Also published as: CN102859016A; TW201134959A; US20130028784A1; TWI365226B; WO2011125264A1; CN102859016B; KR20120089566A; EP2557187A1

Abstract

[과제] 피삭성 및 전신성이 우수하고, 환경 부하를 경감하면서, 고강도 및 고도전성의 적어도 한쪽을 필요로 하는 용도에 최적인 구리합금 전신재를 제공한다.
[해결수단] Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass%를 함유하고, 필요에 따라서, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 총량으로 0.05∼2.0mass% 더 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 전신재로서, 피삭성 향상에 기여하는 황화물이 분산되어 있고, 상기 황화물의 평균 직경은 0.1∼10㎛이고, 상기 황화물의 면적률은 0.1∼10%이고, 또한, 인장강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 구리합금 전신재.

Description

구리합금 전신재, 구리합금 부품 및 구리합금 전신재의 제조방법{WROUGHT COPPER ALLOY, COPPER ALLOY PART, AND PROCESS FOR PRODUCING WROUGHT COPPER ALLOY}

본 발명은, 전자기기, 정밀기계, 자동차 등에 사용되는 금속부품, 특히 절삭 가공에 의해 제조되는 구리합금 부품에 관한 것으로, 또한 이 구리합금 부품에 적합한 구리합금 전신재(展伸材) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

금속부품을 제조하는 방법으로서 선삭, 천공 등의 절삭 가공이 있다. 절삭 가공은, 특히 복잡한 형상을 갖는 부품이나 높은 치수 정밀도를 필요로 하는 부품의 제조에는 유효한 가공 방법이다. 절삭 가공을 행하는 경우, 피삭성이 종종 문제가 된다. 피삭성에는 절삭설(切削屑) 처리, 공구 수명, 절삭 저항, 절삭면 거칠기 등의 항목이 있으며, 이것들이 향상되도록 재료에 개량이 실시되고 있다.

구리합금은, 강도가 높은, 도전성·열전도성이 우수하고, 내식성이 우수하고, 색조가 우수한 등의 이유에서 많은 금속부품에 사용되고 있다. 절삭에 의한 가공도 많이 실시되고 있어, 예를 들면 수도의 수도꼭지, 밸브, 기어, 장식품 등의 용도가 있고, 황동(Cu-Zn계), 청동(Cu-Sn계), 알루미늄 청동(Cu-Al계), 양은(Cu-Zn-Ni계)에 피삭성을 향상시키기 위해서 납을 첨가한 합금이 사용되고 있다. 한편, 이것들은 모두 고강도 또는 고도전성을 필요로 하지 않는 용도이다.

고강도 또는 고도전성을 필요로 하는 용도, 예를 들면 동축 커넥터의 핀재 등의 용도에는, 인청동이나 베릴륨동에 납을 첨가한 쾌삭 인청동(특허문헌 1 참조), 쾌삭 베릴륨동(특허문헌 2 참조)이 사용되고 있다. 이것들은 NC선반 등의 정밀한 공작기계로 절삭 가공되어, 전자기기 용도 등의 신뢰성이 높은 부품에 사용되고 있다.

이와 같이 구리합금의 피삭성을 향상시키기 위해서, 일반적으로는 납이 첨가되어 있다. 이것은, 납이 구리합금에 고용되지 않기 때문에 재료내에 미세하게 분산되고, 절삭 가공시에 절삭설이 그 부분에서 분단되기 쉬워지기 때문이다. 그러나, 납은 인체나 환경에 영향을 미친다고 여겨지기 때문에 사용이 제한되고 있어, 납을 함유하지 않고 피삭성을 향상시킨 재료의 요구가 높아지고 있다. 납을 함유하는 구리합금의 대체 재료로서, 황동이나 청동에 비스무스를 첨가한 구리합금(특허문헌 3, 4 참조)이 알려져 있다. 또한 황동에서는, 아연 농도를 높게 하여 구리-아연계 화합물인 β상이나 γ상을 형성시키고, 혹은 규소를 첨가하여 구리-규소계 화합물인 κ상을 형성시키고, 이러한 화합물을 절삭설 분단의 기점으로서 작용시킴으로써 피삭성을 향상시키는 일도 알려져 있다(특허문헌 5, 6). 또한, 청동에 있어서 유황을 첨가하여 황화물을 형성시켜 절삭설 분단의 기점으로서 작용시키는 방법이 있고(특허문헌 7), 황화물을 절삭설 분단의 기점으로서 작용시키는 것에는, 그 외에 구리-지르코늄계, 구리-티탄계의 시효석출형 합금에 관한 방법이 알려져 있다(특허문헌 8).

일본공개특허공보 소화50-066423호 일본공개특허공보 소화52-117244호 일본공개특허공보 2001-059123호 일본공개특허공보 2000-336442호 일본공개특허공보 2000-319737호 일본공개특허공보 2004-183056호 일본공개특허공보 2006-152373호 일본공개특허공보 2001-240923호 일본공개특허공보 2008-75172호 일본공개특허공보 평성 6-212374호 일본공개특허공보 평성 7-90520호

그러나, 각 특허문헌에 기재된 기술은, 이하의 과제를 갖는다.

특허문헌 1, 2에 기재된 기술에서는, 상술한 바와 같이 피삭성을 향상시키기 위한 첨가 원소로서 납을 이용하고 있고, 환경에의 부하가 염려된다. 특히 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 쾌삭 베릴륨동의 피삭성을 향상시키기 위한 첨가 원소로서 납을 대체하는 것은 없고, 또한 베릴륨 그 자체도 환경에 영향을 주는 원소의 하나로서 들 수 있고, 납을 첨가한 구리합금의 대체재뿐만 아니라 베릴륨동의 대체재를 요구하는 소리도 높아지고 있다.

또한, 특허문헌 3, 4에 기재된 기술에서는, 비스무스를 첨가하면 피삭성은 개선되지만, 가공중에 갈라지기 쉬워지고, 특히 열간 가공이 곤란해진다. 즉, 열간 가공성의 개선을 도모하는 것이 다시 필요하게 된다. 특허문헌 5, 6에 기재되어 있는 합금으로 형성되는 화합물은 황동계 특유의 것이며, 다른 합금계에 적용하는 것은 사실상 곤란하다. 특허문헌 7은 주물에 관한 기술이며, 주물을 직접 절삭하는 경우에는 적합하지만, 봉재나 판재 등의 전신재(소성가공된 재료)를 얻기 위한 기술로서의 개시는 없다. 특허문헌 8에 기재된 기술로 얻을 수 있는 재료는 일반적으로 강도가 낮고, 예를 들면 동축 커넥터의 핀재 등의 고강도를 필요로 하는 용도에는 불충분하고, 다른 기술을 적용할 필요가 있다.

상기 특허문헌 1∼8에 개시된 것은 콜손합금(Cu-Ni-Si계 구리합금)이 아니고, 원래 참고가 되지 않는다. 일본공개특허공보 2008-75172호(상기 특허문헌 9)에는, 다른 합금 원소를 극력 첨가하지 않고, 게다가 개선된 도전율, 강도, 휨성 및 응력 완화 특성을 겸비하는 전자재료용의 Cu-Ni-Si계 합금을 제공하는 것이 개시되어 있다. 그러나 전신성과 피삭성과의 양립에 관한 개시는 없고, 유황 농도의 조정에 대해서도 언급되어 있지 않다. 일본공개특허공보 평성 6-212374호(상기 특허문헌 10), 일본공개특허공보 평성7-90520호(상기 특허문헌 11)에는 전신성을 고려한 콜손합금이 개시되어 있지만, 모두 그 때문에 유황농도를 20ppm(0.002%) 이하로 규제하고 있다.

본 발명은 이러한 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 피삭성 및 전신성이 우수하고, 환경 부하를 경감하면서, 고강도 내지는 고도전성을 필요로 하는 용도에 최적인 구리합금 전신재를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다. 또한 본 발명은 상기 구리합금 전신재를 절삭 가공하여 얻을 수 있는 구리합금 부품 및 상기 전신재의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.

본 발명자들은 예의 검토한 결과, 특정한 조성의 시효석출형 구리합금에 있어서 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률을 제어하는 것에 의해서, 전신성(열간·냉간의 가공성) 및 피삭성이 우수하고, 게다가 강도 및 도전성이 우수한 구리합금 전신재를 얻을 수 있는 것을 발견하였다. 또한 상기 황화물을 얻기 위한 조성 및 주조방법을 발견하고, 또한 열간 가공성, 냉간 가공성에도 우수한 조성, 조직, 주조방법을 발견하였다.

또한, 본 발명자들은 예의 검토한 결과, 특정한 조성의 시효석출형 구리합금에 있어서 매트릭스에 황화물을 형성하고, 또한 이 황화물의 40% 이상이 전신방향으로 평행한 단면의 매트릭스의 결정립내에 존재시키고, 전신방향으로 평행한 단면의 어스펙트비가 1:1∼1:100의 황화물을 매트릭스에 분산시키는 것에 의해서, 전신성(열간·냉간의 가공성) 및 피삭성이 우수하고, 게다가 강도 및 도전성이 우수한 구리합금 전신재를 얻을 수 있는 것을 발견하였다. 또한 상기 황화물을 얻기 위한 조성 및 제조방법을 발견하고, 게다가 열간 가공성, 냉간 가공성에도 우수한 조성, 조직, 제조방법을 발견하였다.

본 발명은 이러한 지견에 기초하여 이루어지기에 이른 것이다.

즉, 본 발명은, 이하의 해결 수단을 제공하는 것이다.

(1) Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 전신재로서, 황화물이 분산되어 있고, 상기 황화물의 사이즈(평균 직경)는 0.1∼10㎛이고, 상기 황화물의 면적률은 0.1∼10%이고, 또한, 인장강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재.

(2) 또한, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 총량으로 0.05∼2.0mass% 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 구리합금 전신재.

(3) 상기 황화물이, Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S, 및 Zn-S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류인, (1) 또는 (2)에 기재된 구리합금 전신재.

(4) (1)∼(3)의 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 절삭 가공하여 형성된 구리합금 부품.

(5) 전자기기 부품, 구조 부품, 또는 요소 부품에 이용되는, (4)에 기재된 구리합금 부품.

(6) (1)∼(3)의 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 제조하는 방법으로서, 주조시의 냉각속도를 0.1∼50℃/초로 하는 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재의 제조방법.

(7) Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 전신재로서, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 면적률이 40% 이상 매트릭스의 결정내에 존재하고, 전신방향으로 평행한 단면의 어스펙트비가 1:1∼1:100의 황화물이 매트릭스에 분산되어 있고, 또한, 인장강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재.

(8) 또한, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 총량으로 0.05∼2.0mass% 함유하는 것을 특징으로 하는 (7)에 기재된 구리합금 전신재.

(9) 상기 황화물은, Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S 및 Zn-S계중 어느 황화물로부터 선택되는 1종류 이상인, (7) 또는 (8)에 기재된 구리합금 전신재.

(10) (7)∼(9)의 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 절삭 가공하여 형성된 구리합금 부품.

(11) 전자기기 부품, 구조 부품, 요소 부품 등의, 강도, 전기전도성, 열전도성, 내마모성을 필요로 하는 용도에 이용되는, (10)에 기재된 구리합금 부품.

(12) (7)∼(9)의 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 제조하는 방법으로서, Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 조성물을 가공하는 데에 있어서, (a) (b)의 어느 한쪽의 공정을 실시하고, 그 후, 0%∼95%의 감면(減面) 가공을 실시하여 전신방향으로 평행한 단면의 매트릭스에 분산된 황화물의 총면적의 40% 이상을 매트릭스의 결정내에 존재시키고, 전신방향으로 평행한 단면의 어스펙트비가 1:1∼1:100의 황화물이 매트릭스에 분산된 것을 시효 처리하는 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재의 제조방법.

(a) 열간 가공 후에 급랭한다.

(b) 열간 가공 후, 냉간 가공과 온도 600℃∼1000℃의 열처리를 1회 이상 반복하고, 최종 냉간 가공전에 용체화 처리를 실시한다.

(13) 또한, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 총량으로 0.05∼2.0mass% 함유하는 것을 특징으로 하는, (12)에 기재된 구리합금 전신재의 제조방법.

여기서, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 면적률이 40% 이상 매트릭스의 결정내에 존재한다는 것은, 매트릭스에 분산된 황화물이 결정립계내에 40% 이상인 것을 말한다. 또한, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 어스펙트비가 1:1∼1:100에 분산되어 있다는 것은, 매트릭스에 분산된 모든 황화물의 어스펙트비가 1:1∼1:100의 범위인 것을 말한다. 여기서 매트릭스란 합금 조직에 있어서 결정립계로 둘러싸인 개개의 영역 내지 그 집합을 말하고, 전형적으로는 결정립계로 둘러싸여 각각이 임의의 형태로 서로 인접하는 섬 형상이 되어 존재한다.

본 발명의 구리합금 전신재는, 강도 및 도전성이 우수하고, 게다가 납이나 베릴륨 등의 환경부하물질을 이용하는 일 없이, 피삭성 및 전신성이 우수한 것이 된다. 예를 들면, 커넥터 핀재에 요구되는 삽발력(揷拔力)의 저하를 방지하기 위해서는, 베릴륨동과 마찬가지로 인장강도가 높아 삽발력의 저하를 억제할 수 있다. 본 발명은, 인장강도 500MPa 이상으로 베릴륨동과 마찬가지로 삽발력 저하를 억제할 수 있다. 또한, 인장강도 내지는 도전성이 요구되는 전자기기 등의 부품에서는, 도전율 25%IACS 이상이기 때문에, 베릴륨동보다 도전성이 우수하고, 월등하다. 또한, 본 발명의 구리합금 전신재는, 절삭 가공에 의해 제조되는 전자기기 등의 부품용 재료로서 적합하다. 본 발명의 구리합금 부품은 절삭 가공으로 정밀도 좋게 제조할 수 있고, 또한, 전자기기 등의 부품으로서 필요한 특성을 충분히 갖고 있다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 하기의 기재 및 첨부의 도면으로부터 보다 분명해질 것이다.

도 1은 구리합금봉을 전신방향으로 평행하게 본 측면(a) 및 단면(b)을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 구리합금봉을, 전신방향으로 평행하게 전자현미경(SEM)으로 본 단면 조직을 모식적으로 도시한 것으로, 결정립계와 황화물의 전체 상이다.
도 3은 구리합금봉을, 전신방향으로 평행하게 전자현미경(SEM)으로 본 단면 조직을 모식적으로 도시한 것으로, 도 2에 대해서 결정립계상에 있는 황화물을 제외하고 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 일부를 확대해서 도시한 황화물의 어스펙트비를 설명하는 도면이다.
도 5는 실시예 1-3, 2-3에서 제작한 커넥터 핀의 한쪽의 형상을 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 6은 실시예 1-3, 2-3에서 제작한 커넥터 핀의 다른 형상을 모식적으로 도시하는 측면도이다.

본 발명의 구리합금 전신재의 바람직한 실시형태에 대해서, 크게 제 1 실시형태와 제 2 실시형태로 나누어 상세하게 설명한다. 다만, 제 2 실시형태에 대해서는, 제 1 실시형태와 공통되는 점에 대해 설명을 생략하는 경우가 있다. 이들 양 실시형태는 동일 혹은 대응하는 특별한 기술적 특징을 갖고 단일의 발명 개념을 형성하는 것이다. 한편, 본 명세서에 있어서, '구리합금'이란 형상의 개념을 포함하지 않는 것을 말하고, '구리합금 재료'나 '구리합금 전신재' 등은, 형상의 개념으로 이루어지는 것을 말한다.

[제 1 실시형태]

＜Ni, Si＞

본 실시형태의 구리합금 전신재의 바람직한 실시형태에서의 니켈(Ni)과 규소(Si)는, Ni와 Si의 함유비를 제어하는 것에 의해 금속생지(生地)(매트릭스) 중에 Ni-Si석출물(Ni₂Si)을 형성시켜 석출강화를 행하고, 구리합금 전신재의 강도 및 도전성을 향상시키기 위해서 첨가한다. 이 Ni-Si석출물(Ni₂Si:석출강화를 위한 석출물)은, 피삭성의 향상에는 별로 기여하지 않는다.

본 실시형태의 구리합금 전신재의 바람직한 실시형태에서는, 유황(S)의 첨가에 의해 매트릭스중에 피삭성 향상에 기여하는 황화물을 형성시킨다. 이 황화물이, 절삭 가공을 행하였을 때의 절삭설 분단의 기점으로서 작용함으로써 절삭설이 잘게 분단되기 쉬워져, 피삭성이 향상된다. 또한, 주조시의 냉각속도를 제어함으로써 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률이 제어되어 절삭설 분단성이 향상되고, 게다가 열간 및 냉간에서의 가공성을 손상시키지 않게 되므로써, 압출, 압연, 인발 등의 전신가공이 가능해진다.

본 실시형태에서의 구리합금은, 니켈(Ni)과 규소(Si)가 고용된 상태, 혹은 Ni-Si석출물이 형성된 상태로 열간 또는 냉간 가공이 실시되지만, 어느 상태에서도 일반적으로 전신가공성은 나빠서, 가공중에 갈라짐, 파손 등이 생기기 쉽다. 이 구리합금중에 황화물이 형성되면 전신가공성은 더 악화되어 가공이 곤란해진다. 전신가공성에는, 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률이 영향을 미치기 때문에, 본 실시형태에서는, 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률을 규정하고 있다. 이것에 의해, Cu-Ni-Si계에 있어서, 양립이 곤란한 전신가공성과 절삭성을 동시에 향상시키는 것이 가능해진다.

Ni의 함유량은 1.5∼7.0mass%(질량%)이며, 1.7∼6.5mass%인 것이 바람직하다. Ni량이 너무 적으면, Ni-Si석출물에 의한 석출 경화량이 작고 강도가 부족하다. Ni량이 너무 많으면, 과잉이기 때문에 강도 향상에 기여하는 Ni-Si석출물 양이 증가하지 않을 뿐만 아니라, 용해 주조시에 Ni-Si 정출물이 많이 형성되어 열간 가공성 및 냉간 가공성(즉 전신성)을 악화시키기 때문에 바람직하지 않다.

Si의 함유량은, Ni-Si석출물(Ni₂Si)의 형성에 있어서는, 질량%으로 계산하면 Ni함유량의 약 1/5∼1/3의 양이 필요하다. 이것으로부터, 본 실시형태에 있어서, Si의 함유량은 0.3∼2.3 질량%이고, 0.34∼2.2질량%인 것이 바람직하다.

＜S＞

본 실시형태의 구리합금 전신재에 있어서는, 황화물의 사이즈(평균 직경)가 0.1∼10㎛이고 황화물의 면적률이 0.1∼10% 존재할 필요가 있다. 그러기 위해서는, S의 함유량은 0.02∼1.0mass%이고, 바람직하게는 0.03∼0.8mass%이다. 너무 적으면 황화물의 면적률이 작아, 충분한 절삭설 분단성을 얻을 수 없다. S의 함유량이 너무 많으면, 열간 가공성 및 냉간 가공성(즉 전신성)이 악화된다.

종래, 콜손합금에 있어서는 S의 양을 극미량으로 규제하는 것이 알려져 있다(상기 특허문헌 10, 11). 본 실시형태에서는, 이것을 감히 큰 폭으로 증량시켜 그 외의 첨가 원소를 특정한 범위로서, 바람직하게는 그 가공 처리를 특정한 조건으로 행하는 것에 의해, 황화물이 소정의 전신방향의 어스펙트비를 갖는 구리합금 전신재로 하여, 피삭성과 전신성과의 양립을 달성하였다.

또한, 본 실시형태의 구리합금 전신재에는, 주석(Sn), 망간(Mn), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 티탄(Ti), 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 인(P), 아연(Zn)의 1종 또는 2종 이상을 함유시켜도 좋다. 이러한 원소는, 고용 또는 석출물을 형성함으로써 Cu-Ni-Si합금의 강도를 향상시키고, 혹은 황화물을 형성하여 피삭성을 향상시킨다. 함유시키는 경우에는, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P, Zn중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 총량으로 0.05∼2.0mass% 함유시키는 것이 바람직하다. 함유량이 0.05mass%보다 적은 경우는, 강도 향상이나 피삭성 개선의 효과가, 이러한 원소를 함유하지 않는 경우와 다르지 않게 된다. 또한, 함유량이 2.0mass%보다 많은 경우는, 강도 및 피삭성 향상의 효과가 포화될 뿐만 아니라, 도전율이 저하하기 때문에 상책은 아니다. 황화물의 성분으로서는 Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S, Zn-S계 등이 있고, 특히 Cu-S계 황화물이 유효하다. 더욱 불가피적 불순물과 S와의 황화물도 있다.

＜황화물에 관한 규정＞

황화물의 성분으로서는, Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S, Zn-S 등이 있다. 황화물은, Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S, Zn-S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하고, 특히 Cu-S가 유효하다. 더욱 불가피적 불순물과 S와의 황화물도 있다. 한편, 여기서 'Cu-S'란, Cu₂S나 CuS 등의 Cu와 S로 이루어지는 황화물의 총칭을 의미하고, 'Mn-S'등에서도 마찬가지이다.

다음에, 피삭성 향상에 기여하는 화합물인 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률의 규정, 및 특징에 대해 서술한다. 황화물은, 절삭 가공시에 발생하는 절삭설을 잘게 분단하는 작용이 있으며, 그것에 의해 피삭성이 향상된다. 다만, 황화물의 사이즈(평균 직경)가 0.1㎛보다 작으면, 큰 효과는 얻을 수 없다. 또한, 사이즈(평균 직경)가 0.1㎛ 이상의 황화물이 있었다고 해도, 전체의 면적률이 작으면 절삭설은 잘게 분단되지 않는다. 구체적으로는, 0.1㎛ 이상의 사이즈(평균 직경)의 황화물이 면적률로 0.1∼10%의 밀도로 분포되어 있지 않으면 절삭설이 충분히는 분단되지 않는다. 한편, 황화물은 부드럽기 때문에, 열간 가공이나 냉간 가공의 가공도에 따라서 길게 늘려지는 경우가 있지만, 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률은 전신재의 길이방향에 수직인 단면(횡단면)에서 상기를 만족하면 좋다. 또한 황화물의 사이즈(평균 직경)란, 이 횡단면을 전자현미경으로 관찰하여 100개 이상의 황화물 입자를 원형으로 환산하고, 그 직경을 평균한 값으로 한다. 황화물의 면적률과는 전자현미경으로 관찰되는 1시야(視野)에 보여지는 황화물의 수를 카운트하여, 그 각각의 황화물을 원형 환산하여 그 직경을 구하여 평균하고, 그 평균 직경으로부터 면적을 구하고 황화물 수를 곱하여 황화물의 1시야당의 총면적을 구하여 1시야의 전체면적으로 나눈 값으로 한다.

한편, 황화물은 재료의 열간 및 냉간의 가공성을 악화시킨다. 황화물은 결정립계에 형성되기 쉽고, 입계 강도를 저하시키기 때문에, 황화물의 사이즈(평균 직경)가 너무 크거나 면적률이 너무 크거나 하면, 열간 가공이나 냉간 가공을 실시했을 때에 균열을 일으키게 하여, 전신재로서 사용할 수 없게 된다. 따라서, 황화물의 사이즈(평균 직경)는 10㎛ 이하, 황화물의 면적률은 10% 이하로 할 필요가 있다.

이 황화물의 사이즈(평균 직경)는, 주조시의 냉각속도에 의해 변화한다. 냉각속도가 늦으면 황화물은 커지고, 반대로 빠르면 작아진다. 바람직한 냉각속도는 0.1∼50℃/초, 보다 바람직하게는 0.3∼40℃/초이다.

＜기계적 성질 및 제조 조건＞

이어서, 본 제 1 실시형태의 바람직한 실시형태에서의 구리합금 전신재의 기계적 성질에 대해 서술한다.

본 실시형태에서의 구리합금 전신재는, 납을 함유하는 인청동이나 베릴륨동의 대체, 즉 환경부하물질을 함유하는 구리합금의 대체를 목표로 하는 것이고, 이러한 합금의 전신재와 동등한 강도를 필요로 한다. 그 때문에, 실용상 문제가 되지 않는 강도 및 도전성으로서, 인장강도 500MPa 이상, 도전율이 IACS(International Annealed Copper Standard)이고 25%IACS 이상인 것이 필요하다. 본 실시형태에서의 구리합금은 시효석출형이며, 상술한 바와 같이 Ni₂Si를 형성시킴으로써 강도, 도전성을 향상시키고 있고, 그 때문에, Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass% 함유하는 것이 필요하게 된다. 또한, 제조 공정에서의 용체화 처리시의 온도는 750∼1000℃의 범위가 바람직하고, 시효 처리시의 온도는 350∼600℃의 범위가 바람직하다.

본 실시형태에 있어서, 구리합금 전신재의 제조방법에는, 주조시의 냉각속도를 상기 범위로서 황화물의 사이즈(평균 직경)를 제어하는 이외, 특별히 제약은 없다. 예를 들면, 주괴(케이크 또는 빌렛)의 횡단면의 면적에 대해서는, 전신재의 횡단면의 면적보다 크면 좋다. 본 실시형태의 구리합금 전신재는, 시효석출형 구리합금의 전신재이기 때문에, 적어도 구리합금 원료의 용해 주조 공정 후에 시효 열처리 공정은 필수가 되지만, 열간 가공 공정, 소둔 공정, 용체화 처리 공정은, 구리합금 전신재를 얻기 위한 공정 외는, 필요에 따라서 행하게 된다. 예를 들면, 열간 가공 공정에 관해서는, 빌렛의 열간 압출, 주괴의 열간 단조, 혹은 연속 주조 등의 제조방법의 어느 것으로도 본 실시형태의 구리합금 전신재를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 제품의 형상은 특별히 제약은 없고, 후공정인 절삭 공정에 의해 최종 형태인 구리합금 부품을 얻기 쉬운 형상으로 해 두는 것이 바람직하다. 즉, 구리합금 부품의 용도에 의해 선, 봉, 조, 판, 관 등의 소정의 형상의 구리합금 전신재로서 제조하고, 구분하여 사용하면 좋다. 예를 들면, 최종 형태의 구리합금 부품이 나사나 리벳 등인 경우는, 구리합금 전신재의 형상은 환봉 형상인 것이 바람직하다.

구리합금 부품으로서는, 현재, 납이 들어간 인청동이나 베릴륨동이 사용되고 있는 동축 커넥터의 수핀, 암핀이나, IC소켓이나 배터리 단자 커넥터에 사용되는 프로브의 배럴 및 플런저재, 오디오 케이블의 커넥터 단자 등의 전자기기 부품, 안테나의 힌지, 패스너, 베어링, 가이드 레일, 저항용접기, 시계 등의 구조 부품이나 기어, 축받이, 금형의 이젝트 핀 등의 요소 부품과 같이, 강도, 전기전도성, 열전도성, 내마모성을 필요로 하고, 복잡한 형상으로 주로 절삭 가공으로 제조되는 부품을 들 수 있다. 본 실시형태의 '구리합금 부품'은 절삭 가공으로 제조된 구리합금 부품을 일부에 포함하는 것이더라도 좋다.

[제 2 실시형태]

＜Ni, Si＞

본 실시형태의 구리합금 전신재에 있어서도 Ni와 Si의 함유비를 제어한다. 그 취지는, 제 1 실시형태와 같다.

본 실시형태의 구리합금 전신재의 바람직한 실시형태에서는, 유황(S)의 첨가에 의해 매트릭스중에 피삭성 향상에 기여하는 황화물을 형성시킨다. 이 황화물이, 절삭 가공을 행하였을 때의 절삭설 분단의 기점으로서 작용함으로써 절삭설이 잘게 분단되기 쉬워져, 피삭성이 향상하는 점에서 상기 제 1 실시형태와 공통된다. 황화물은, 주조시에 형성되지만, 형성되었을 때는 결정립계에 많이 존재하고 있어 열간 가공성 및 냉간 가공성(즉 전신성)을 악화시킨다. 따라서, 주괴(케이크 또는 빌렛)에 형성된 황화물을, 전신가공 및 열처리에 의해, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 면적률이 40% 이상 매트릭스의 결정내에 존재하고, 전신방향으로 평행한 단면의 전신방향에서 본 어스펙트비가 1:1∼1:100의 황화물을, 바람직하게는 어스펙트비가 1:1∼1:50의 황화물을 매트릭스에 분산시킴으로써, 절삭설 분단성이 향상되고, 게다가 열간 및 냉간에서의 가공성을 손상시키지 않게 되므로써, 압출, 압연, 인발 등의 전신가공이 가능해진다. 본 실시형태의 구리합금은, 니켈(Ni)과 규소(Si)가 고용된 상태 혹은 Ni-Si석출물이 형성된 상태로 열간 또는 냉간 가공이 실시되지만, 어느 상태에서도 일반적으로 전신가공성은 나빠, 가공중에 갈라짐, 파손 등이 생기기 쉽다. 이 구리합금중에 황화물이 형성되면 전신가공성은 더 악화되어 가공이 곤란해진다. 전신가공성에는, 황화물의 존재하는 위치가 크게 영향을 주어, 황화물을 결정내에 많이 존재시킴으로써, 전신성이 양호해진다. 본 실시형태에서는, 황화물의 결정립내에 존재하는 면적률을 규정하고 있다.

Ni의 함유량은 1.5∼7.0mass%(질량%)이며, 1.7∼6.5mass%인 것이 바람직하다. Ni량이 너무 적으면, Ni-Si석출물에 의한 석출 경화량이 작고 강도가 부족하다. Ni량이 너무 많으면, 과잉이기 때문에 강도 향상에 기여하는 Ni-Si석출 물량이 증가하지 않을 뿐만 아니라, 용해 주조시에 Ni-Si 정출물이 많이 형성되어 열간 가공성 및 냉간 가공성(즉 전신성)을 악화시키기 때문에 바람직하지 않다.

Si의 함유량은, Ni-Si석출물(Ni₂Si)의 형성에 있어서는, 질량%으로 계산하면 Ni함유량의 약 1/5∼1/3의 양이 필요하다. 이것으로부터, 본 실시형태에 있어서, Si의 함유량은 0.3∼2.3 질량%이며, 0.34∼2.2질량%인 것이 바람직하다.

＜S＞

본 실시형태의 구리합금 전신재에 있어서는, 형성된 황화물의 면적률의 40% 이상이 전신방향으로 평행한 단면 매트릭스의 결정내에 존재하고, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 어스펙트비를 상기 비율로 할 필요가 있다. 그것을 달성하기 위해서, S의 함유량이 0.02∼1.0mass%가 되어 있고, 바람직하게는 0.03∼0.8mass%이다. 이것이, 너무 적으면, 충분한 절삭설 분단성을 얻을 수 없다. S의 함유량이 너무 많으면, 열간 가공성 및 냉간 가공성(즉 전신성)이 악화된다. 형성되어 분산된 황화물의 면적률의 50% 이상이 매트릭스의 결정내에 존재하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서도, 종래의 일반적인 규제량을 넘어 상기 적극 첨가량으로 S를 함유시키는 점에서 제 1 실시형태와 같다.

＜그 외의 첨가 원소＞

본 실시형태의 구리합금 전신재에는, 주석(Sn), 망간(Mn), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 티탄(Ti), 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 인(P), 아연(Zn)의 1종 또는 2종 이상을 함유시켜도 좋다. 그 작용 및 바람직한 함유량의 범위 등은, 상기 제 1 실시형태와 같다.

＜황화물에 관한 규정＞

다음에, 피삭성 향상에 기여하는 화합물인 황화물의 전신방향으로 평행한 단면의 매트릭스의 결정내에 존재하는 비율과, 황화물의 어스펙트비의 규정, 및 특징에 대해 서술한다. 황화물은, 절삭 가공시에 발생하는 절삭설을 잘게 분단하는 작용이 있어, 그것에 의해 피삭성이 향상된다. 그러나, 황화물의 존재하는 위치에 의해 전신성(열간 가공성, 냉간 가공성)에 크게 영향을 준다. 황화물의 매트릭스의 결정립내에 존재하는 비율이란, 전신방향으로 평행한 단면을 전자현미경으로 관찰하여, 1시야에 관찰되는 모든 황화물의 수를 카운트하여, 그 각각의 황화물을 원형 환산하여 그 직경을 구하고, 평균하여, 그 평균 직경으로부터 면적을 구하고 황화물 수를 곱하여 1시야에 보여지는 모든 황화물의 총면적을 구한 후, 결정립내와 결정립계에 걸친 황화물만의 수를 카운트하여, 그 각각의 황화물을 원형 환산하여 그 직경을 구하고, 평균하여, 그 평균 직경으로부터 면적을 구하고 황화물 수를 곱하여 결정립내와 결정립계에 걸친 황화물의 총면적을 구하고, 1시야에 보여진 모든 황화물 총면적으로 나눈 값이다. 이 비율은, 결정립내와 결정립계에 걸친 황화물이 40% 이상이면 좋다. 40% 이하가 되면, 전신성이 나빠진다. 한편, 이 때의 황화물의 면적률은, 0.1%∼20%, 바람직하게는 0.1∼10%의 범위에 있다. 황화물의 면적률은, 1시야에 보여진 황화물의 총면적을 1시야의 총면적으로 나눈 값이다.

황화물은 부드럽기 때문에, 열간 가공이나 냉간 가공의 가공도에 따라 길이방향으로 늘려지고, 또한, 분단되어 매트릭스중에 분산된다. 분산된 황화물의 어스펙트비란, 이 단면을 전자현미경으로 관찰하여, 전신방향으로 수직방향의 길이 t₁을 1로 한 경우, 전신방향으로 평행하게 늘려진 황화물 길이 t₂의 비(t₂/t₁)로 한다. 1:100을 넘는 것은, 규정의 S의 함유량을 만족시키지 않을 가능성이 있어, 절삭 가공시에 절삭설이 잘게 분단되지 않게 된다. 한편, 황화물이 전신방향으로 직선 형상이 아닌 경우도 상기의 정의에 변화는 없고, 도 4에 도시한 바와 같이, 그 영역을 차지하는 부분의 전신방향이 길이 t₂ 및 그것에 직교하는 방향의 길이 t₁을 구하여, 평가한다.

황화물의 측정예

도 1(a)은 구리합금봉(10)을 전신방향 R에 평행하게 본 정면도이고 (b)는 단면도이고, 10a은 단면을 도시하여, 모식적으로 도시한 것이다.

도 2는, 전신방향으로 평행으로 한 단면의 전자현미경 관찰의 모식도이고, 1시야에 관찰되는, 결정립계(21)와 황화물 상태를 나타내고, 도면 중 21은 결정립계, 22는 결정립계에 있는 황화물, 23은 결정립내 황화물을 나타낸다. 여기서, 1시야에 관찰되는 모든 황화물의 총면적을 구한다.

다음에 도 3은 구리합금봉을, 전신방향으로 평행하게 전자현미경(SEM)으로 본 단면 조직을 모식적으로 도시한 것으로, 결정립계와, 도 2의 결정립계에 있는 황화물을 제외한, 결정립내에 있는 황화물이다. 상기 도면에 도시하는 결정립내에 있는 황화물의 총면적을 구하여, 1시야에 보여지는 황화물과 결정립내에 있는 황화물의 비율을 구한다. 이 경우의 결정립내에 있는 황화물의 면적률은 61%이다.

황화물의 어스펙트비란, 도 4에 도시하는 바와 같이 황화물의 전신방향으로 수직방향의 길이 t₁을 1로 한 경우, 이것에 대한 전신방향으로 평행하게 늘려진 황화물 길이 t₂의 비(도면 중 하방의 예의 경우는 13)를 말한다.

＜기계적 성질 및 제조 조건＞

이어서, 본 실시형태의 바람직한 실시형태에서의 구리합금 전신재의 기계적 성질에 대해 서술한다. 본 실시형태에서의 구리합금은, 납을 함유하는 인청동이나 베릴륨동의 대체, 즉 환경부하물질을 함유하는 구리합금의 대체를 목표로 하는 것이고, 이러한 합금과 동등한 강도를 필요로 하는 것은 상기 제 1 실시형태와 같다. 그 때문에, 실용상의 요구 특성(인장강도, 도전율)의 바람직한 범위 등도 상기 제 1 실시형태와 같다.

본 실시형태의 구리합금 전신재의 제조방법에 있어서는, 주조시에 입계에 많이 존재하는 황화물을, 전신가공 및 열처리에 의해, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 면적률로 40% 이상 매트릭스의 결정내에 존재시키고, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 어스펙트비를 1:1∼1:100의 범위에 분산시키는 것을, 주된 특징으로 하고 있다.

상기 전신가공 및 열처리가 바람직한 예로서, 이하의 예를 들 수 있다.

(a) 열간 가공 후에 급랭하고, 0%∼95%(더 바람직하게는 30∼90%)의 감면 가공을 하여, 최종 시효 처리한다.

(b) 열간 가공 후, 냉간 가공과 온도 600℃∼1000℃의 열처리를 1회 이상 반복하고, 최종 냉간 가공전에 용체화 처리를 실시한 후, 0%∼95%(더 바람직하게는 30∼90%)의 감면 가공을 실시하고, 최종 시효 처리한다.

여기서, 냉간 가공과 온도 600℃∼1000℃의 열처리를 각각 1회 행하는 경우는, 냉간 가공은 최종 냉간 가공, 온도 600℃∼1000℃의 열처리는 용체화 처리로 한다.

또한, 감면 가공은 냉간 가공이며, 0%의 감면 가공이란, 감면 가공을 행하지 않는 것을 의미한다. 또한, 최종 시효 처리시의 온도는, 바람직하게는 350∼600℃, 보다 바람직하게는 400℃∼550℃이다.

또한, 온도 600℃∼1000℃의 열처리의 목적은, 전신재의 가공성을 향상시키는 것에 있다. 상기 온도역은, 바람직하게는 800℃∼1000℃, 보다 바람직하게는 900℃∼1000℃이다. 또한, 열처리의 시간은 바람직하게는 1시간에서 3시간이다. 또한, 냉각 조건은 사실상 임의이며, 서랭이라도 급랭이라도 지장 없다. 냉각속도는 0.1∼1000℃/초의 범위에 있으면 충분하다.

상기 감면 가공의 직전의 공정은, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 어스펙트비를 1:1에 가까이 하여, 감면 가공에 의한 황화물의 형상 및 분산 상태의 제어를 적절히 행하는 관점에서, 열간 가공 또는 용체화 처리인 것이 바람직하다. 이 경우, 열간 가공 또는 용체화 처리의 온도는, 바람직하게는 750℃∼1000℃이며, 보다 바람직하게는 850℃∼1000℃이며, 더 바람직하게는 900℃∼1000℃이다.

한편, 열간 가공(열간 압연, 열간 연장선, 열간 압출 등)의 직후에 급랭(수중 담금질 등)을 행함으로써, 용체화 처리와 동등한 효과를 얻을 수 있다.

본 실시형태의 구리합금 전신재는, 시효석출형 구리합금의 전신재이기 때문에, 적어도 구리합금 원료의 용해 주조 공정 후에 시효 처리 공정은 적합하게 채용되는 전제가 되지만, 열간 가공 공정, 소둔 공정, 용체화 처리 공정, 온도 600℃∼1000℃의 열처리 공정은, 구리합금 전신재를 얻기 위한 공정 외는, 필요에 따라서 실시하게 된다. 예를 들면, 열간 가공 공정에 관해서는, 통상의, 빌렛의 열간 압출, 주괴의 열간 단조, 혹은 연속 주조 등의 제조방법의 어느 것이라도 본 실시형태의 구리합금 전신재를 제조하는 것이 가능하다.

그 외, 제품의 형상이나 구리합금 부품으로서는, 그 바람직한 것으로서 상기 제 1 실시형태와 같은 것을 들 수 있다.

실시예

이하에, 본 발명을 실시예에 기초하여, 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 그것들에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

(실시예 1-1)

표 1-1의 합금 성분으로 나타나는 조성의 구리합금을 고주파 용해로로 용해하고, 냉각속도 0.5∼5℃/초로 각 빌렛을 주조하였다. 빌렛의 직경은, 200mm로 하였다. 상기 빌렛을 온도 950℃에서 열간 압출하고, 즉시 수중 담금질을 행하여, 직경 20mm의 환봉을 얻었다. 이어서 상기 환봉을 냉간에서 인발을 행하여, 직경 10mm의 환봉을 제조하고, 게다가 온도 450℃에서 2시간 시효 열처리를 행하였다.

이와 같이 하여 얻어진 각각의 구리합금 전신재(환봉)의 샘플에 대해서, [1] 인장강도, [2] 도전율, [3] 피삭성을 하기 방법에 의해 조사하였다. 각 평가 항목의 측정 방법은 이하와 같다.

[1] 인장강도

JIS Z 2241에 준하여 3개 측정하고 그 평균치(MPa)를 나타냈다.

[2] 도전율

4단자법을 이용하여, 20℃(±1℃)로 관리된 항온조중에서, 각 시료에 대해 2개씩 측정하여, 그 평균치(%IACS)를 나타냈다.

[3] 피삭성

범용 선반을 이용하여 환봉의 바깥지름의 계단식 절삭 가공을 행하여, 태경부(太徑部)의 직경 9.6mm, 세경부(細徑部)의 직경 8mm의 리벳을 제작하여 발생한 절삭설의 형태를 관찰하였다. 절삭설이 길이 5mm 이하로 분단되는 것은 양호, 절삭설이 분단되지만 그 길이가 5mm이상 10mm 이하는 허용, 절삭설이 나선 형상으로 연결되어 있는 것은 불량으로 하였다. 실용상 문제가 생기지 않는 것은 양호 및 허용이다. 한편 절삭 조건은, 회전수 1010rpm, 이송속도를 1회전당 0.1mm, 절삭깊이값 0.2mm로 하였다. 바이트는 초경제를 이용하고, 절삭유는 미사용으로 하였다.

또한, 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률은, 직경 10mm의 환봉의 샘플의 임의의 3개소의 횡단면에 대해서, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 각각 3시야에 대해서 조직 관찰을 행하는 것에 의해 구하였다. 황화물의 사이즈(평균 직경)는, 1시야당 100개 이상의 황화물을 원형 환산하고, 그 직경을 평균하여 구하였다. 황화물의 면적률은, 1시야에 보여지는 황화물의 수를 카운트하여, 황화물을 원이라 가정하고 평균 직경으로부터 구한 면적을 곱함으로써 황화물의 1시야당의 총면적을 구하고, 1시야의 면적으로 나눔으로써 구하였다. 또한, 황화물의 성분을, SEM에 부수하는 에너지 분산형 형광 X선 분석장치(EDX)를 이용하여 조사하였다.

표 1-1에 결과를 나타낸다. 본 발명예 1-1∼1-25는, 성분이 본 발명의 범위내이며, 모두 인장강도 500MPa 이상, 도전율 25%IACS 이상을 만족한다. 또한, 황화물의 사이즈(평균 직경)는 0.1∼10㎛를, 황화물의 면적률은 0.1∼10%를 만족하고 있고, 재료 가공중의 균열은 없고, 피삭성도 만족하고 있다.

비교예 1-1∼1-9는, 성분이 본 발명의 범위외에서의 예이다. 비교예 1-1 및 1-3은 Ni농도 및 Si농도가 낮고, 인장강도가 뒤떨어져 있다. 비교예 1-2는 Ni농도 및 Si농도가 높고, 도전율이 뒤떨어져 있다. 비교예 1-4는 Ni농도 및 Si농도가 높아, 냉간 가공시에 균열이 생겼다. 비교예 1-5는 S농도가 낮아 황화물의 면적률이 작아져 피삭성이 뒤떨어졌다. 비교예 1-6 및 1-7은 S농도가 높아서 황화물의 면적률이 증가하여, 열간 가공시에 균열이 발생하였다. 비교예 1-8 및 1-9는, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P, Zn의 총량이 2.0mass%를 넘어, 도전율이 뒤떨어졌다.

종래예 1-1, 1-2는 쾌삭 인청동 및 쾌삭 베릴륨동이다. 본 발명예의 구리합금 전신재는, 종래예 1-1, 1-2의 재료와 같이 환경부하물질을 함유하지 않고, 종래예 1-1, 1-2와 동등 이상의 특성을 얻을 수 있다.

[표 1-1]

(실시예 1-2)

표 1-1의 본 발명예 1-6 및 본 발명예 1-16의 합금 성분으로, 실험용 소형 주형(25mm×25mm×300mm)을 이용하여, 주형의 예열 온도를 변화시키므로써 주조시의 냉각속도를 변화시킨 소형 주괴를 제작하였다. 얻어진 주괴를 온도 950℃에서 열간 압연하고, 직접 수중 담금질을 행하여, 직경 20mm의 환봉을 얻었다. 이어서 상기 환봉을 냉간에서 인발을 행하여 직경 10mm의 환봉을 제조하고, 게다가 온도 450℃에서 2시간 시효 열처리를 실시하였다. 이와 같이 하여 얻어진 각각의 구리합금 전신재(환봉)의 샘플에 대해서, [1] 인장강도, [2] 도전율, [3] 피삭성을 상기 실시예 1-1과 같은 방법에 의해 조사하여, 황화물의 사이즈(평균 직경)와 면적률에 대해서도 마찬가지로 상기 방법에 의해 구하였다. 결과를 표 1-2에 나타낸다.

[표 1-2]

표 1-2의 본 발명예 1-26∼1-29는 본 발명예 1-6과 같은 합금 성분, 본 발명예 1-30∼1-33은 본 발명예 1-16과 같은 합금 성분으로, 냉각속도를 본 발명의 범위내로 변화시킨 예이다. 냉각속도를 크게 하면 황화물의 사이즈(평균 직경)가 작아지는 경향이 있지만, 모두 본 발명의 범위내이며, 우수한 피삭성이 얻어지고 있다. 표 1-2의 비교예 1-10, 1-11은 본 발명예 1-6과 같은 합금 성분, 비교예 1-12, 1-13은 본 발명예 1-16과 같은 합금 성분으로, 냉각속도를 본 발명의 범위 외로 한 예이다. 냉각속도가 늦은 경우는(비교예 1-10 및 1-12), 황화물의 사이즈(평균 직경)가 커져, 냉간 또는 열간 가공중에 균열이 생겼다. 냉각속도가 빠른 경우는(비교예 1-11 및 1-13), 황화물의 사이즈(평균 직경)가 0.1㎛ 미만이 되고, 피삭성이 불량이 되어 있다.

(실시예 1-3)

표 1-1의 본 발명예 1-6 및 본 발명예 1-16의 합금 성분으로, 실시예 1-1의 방법에서 얻어진 직경 10mm의 환봉으로부터, φ2mm 및 φ7mm의 환봉을 제작하였다. 이러한 환봉에 대해서, NC선반을 이용하여 도 5 및 도 6에 도시한 것과 같은 커넥터 핀을 각 1000개 제작하였다. 그 결과, 절삭설의 가공 부품에 달라붙거나, 공구 마모에 의한 치수 변함 없이, 부품의 가공을 할 수 있었다. 한편 절삭 조건은, 바깥지름 가공은, 회전수를 3000rpm, 이송속도를 1회전당 0.02mm로 하고, 천공 가공은, 회전수를 2500rpm, 이송속도를 1회전당 0.03mm로 하고, 절삭유를 사용하였다. 도 5에 있어서 50은 커넥터 핀을, 51은 슬릿을 도시한다. 도 6에 있어서 60은 다른 형태의 커넥터 핀을, 61은 슬릿을, 62는 테이퍼부를 도시한다.

도 5의 형상의 커넥터 핀에 대해서, 핀재의 특성으로서 필요한 삽발성을 평가하였다. 평가방법은, 가공 후의 핀에 φ0.92mm의 핀 게이지를 찔러넣어 삽발력을 측정하고(초기치 T0), 계속하여 같은 핀을 반복하여 500회의 빼고 꽂기를 행한 후에, 다시 삽발력을 측정하여(T1), 초기치에 대한 비율 T1/T0을 구하였다. T1/T0이 큰 쪽이 삽발력의 저하가 작고, 커넥터 핀으로서의 성능이 양호하다고 할 수 있다. 평가는 5개의 핀에 대해 행하여, 평균치를 구하였다. 비교를 위해, 표 1-1의 종래예 1-1 및 1-2의 재료에 대해서도 평가를 행하였다. 결과를 표 1-3에 나타낸다.

표 1-3으로부터, 본 발명예는 종래예 1-2의 쾌삭 베릴륨동과 동등한 삽발성을 나타내어, 우수한 커넥터 핀인 것을 알 수 있다. 종래예 1-1의 쾌삭 인청동의 삽발성은, 본 발명예보다 뒤떨어져 있어, 장기 사용시에 접촉 불량이 염려되는 것이 되었다.

[표 1-3]

(실시예 2)

(실시예 2-1)

표 2-1의 합금 성분으로 나타나는 조성의 구리합금을 이용하여, 상기 실시예 1-1과 같이 하여 시료를 얻었다. 각 특성의 측정 방법 및 조건도 상기 실시예 1-1과 같다.

전신방향으로 평행한 단면의 황화물이 매트릭스의 결정내에 존재하는 면적률은, 직경 10mm인 환봉 샘플의 임의의 3개소의 전신방향으로 평행한 단면에 대해서, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 각각 3시야에 대해서 조직 관찰을 행하는 것에 의해 구하였다. 1시야에 관찰되는 모든 황화물의 수를 카운트하여, 그 각각의 황화물을 원형 환산하여 그 직경을 구하고, 평균하여, 그 평균 직경으로부터 면적을 구하고 황화물 수를 곱하여 1시야에 보여지는 모든 황화물의 총면적을 구한 후, 결정립내와 결정립계를 넘은 황화물만의 수를 카운트하여, 그 각각의 황화물을 원형 환산하여 그 직경을 구하고, 평균하여, 그 평균 직경으로부터 면적을 구하고 황화물 수를 곱하여 결정립내와 결정립계를 넘은 황화물의 총면적을 구하고, 1시야에 보여진 모든 황화물 총면적으로 나눔으로써 구하였다. 또한, 황화물의 성분을, SEM에 부수하는 에너지 분산형 형광 X선 분석장치(EDX)를 이용하여 조사하였다. 한편, 표중에는 나타내지 않지만, 본 발명예의 전신재는, 모두 전신방향으로 평행한 단면에서의 어스펙트비가 1:1∼1:100의 범위에 있고, 또한 전신재의 횡단면에서의 황화물의 면적률은 0.1∼10%를 만족하고 있었다.

표 2-1에 결과를 나타낸다. 본 발명예 2-1∼2-25는, 성분이 본 발명의 범위내이며, 모두 인장강도 500MPa 이상, 도전율 25%IACS 이상을 만족하고 있다. 또한, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 40% 이상이 매트릭스의 결정내에 존재하고 있어, 재료 가공중의 균열은 없고, 피삭성도 만족하고 있다.

비교예 2-1∼2-9는, 합금 조성이 본 발명의 범위외에서의 예이다. 비교예 2-1 및 2-3은 Ni농도 및 Si농도가 너무 낮으므로, 인장강도의 불충분한 것 밖에 얻을 수 없었다. 비교예 2-2는 Ni농도 및 Si농도가 너무 높아, 도전율이 뒤떨어져 있다. 비교예 2-4는 Ni농도 및 Si농도가 너무 높아, 냉간 가공시에 균열이 생겼다. 비교예 2-5는 S농도가 낮아 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 40% 이상이 매트릭스의 결정내에 존재하고 있지만 피삭성이 뒤떨어졌다. 비교예 2-6 및 2-7은 S농도가 높아 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 40% 이상이 매트릭스의 결정내 존재하고 있지 않고, 열간 가공시에 균열이 발생하였다. 비교예 2-8 및 2-9는, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P, Zn의 총량이 2.0mass%를 넘어 도전율이 뒤떨어졌다.

종래예 2-1, 2-2는 쾌삭 인청동 및 쾌삭 베릴륨동이다. 본 발명예의 구리합금 전신재는, 종래예 2-1, 2-2의 재료와 같은 환경부하물질을 함유하지 않고, 종래예 2-1, 2-2와 동등 이상의 특성을 얻을 수 있다.

[표 2-1]

(실시예 2-2)

표 2-1의 본 발명예 2-1, 2-6, 2-16과 비교예 2-5의 조성의 구리합금을 고주파 용해로로 용해하고, 직경 300mm의 각 빌렛을, 냉각속도 1℃/초로 주조하였다. 상기 빌렛을 온도 950℃에서 열간 압출하고, 즉시 수중 담금질을 행하여, 직경 30mm의 환봉을 얻었다. 그 후 냉간 인발 가공으로 직경 20mm까지 가공하고, 온도 950℃에서 용체화 처리하여 직경 20mm의 환봉을 얻었다.

이 환봉을 감면 가공하고, 직경 20mm(감면 가공 0%), 직경 16mm(감면 가공 36.0%), 직경 10mm(감면 가공 75.0%), 직경 4.5mm(감면 가공 94.9%), 직경 3.5mm(감면 가공 96.9%)의 환봉을 각각 제조하였다. 또한, 직경 20mm는 500℃에서 2시간, 직경 16mm는 480℃에서 2시간, 직경 10mm는 450℃에서 2시간, 직경 4.5mm 및 3.6mm는 430℃에서 2시간 시효 처리를 행하였다. 이와 같이 하여 얻어진 각각의 구리합금 전신재(환봉)의 샘플에 대해서, [1] 인장강도, [2] 도전율을 상기 실시예 1과 같은 방법에 의해 조사하고, [3] 피삭성을 하기 방법에 의해 조사하였다.

[3] 피삭성

범용 선반을 이용하여 각 직경의 재료를, 외삭(外削) 가공하여 직경 3mm의 환봉을 제조하고, 환봉의 바깥지름의 계단식 절삭 가공을 행하였다. 발생한 절삭설의 형태를 관찰하여, 절삭설이 길이 5mm 이하로 분단되는 것은 양호, 절삭설이 분단되지만 그 길이가 5mm이상 10mm 이하의 것은 허용, 절삭설이 나선 형상으로 연결되어 있는 것은 불량으로 하였다. 실용상 문제가 생기지 않는 것은 양호 및 허용이다. 한편 절삭 조건은, 회전수 1010rpm, 이송속도를 1회전당 0.1mm, 절삭깊이값 0.2mm로 하였다. 바이트는 초경제를 이용하고, 절삭유는 미사용으로 하였다.

전신방향으로 평행한 단면의 황화물이 매트릭스의 결정내에 존재하는 면적률은, 직경 20, 16, 10, 4.5, 3.5mm인 환봉 샘플의 임의의 3개소의 전신방향으로 평행한 단면에 대해서, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 각각 3시야에 대해서 조직 관찰을 행하여, 상기 방법에 의해 구하였다. 또한, 황화물의 어스펙트비는, 상술의 전자현미경으로 관찰되는 황화물의 전신방향으로 수직방향을 1로 하고, 전신방향으로 평행하게 늘려진 황화물의 길이의 비로부터 구하였다.

[표 2-2]

표 2-2의 본 발명예 2-26∼2-37은 본 발명예 2-1, 2-6, 2-16과 같은 합금 성분으로, 본 발명의 범위내의 감면 가공을 한 것이다. 모두 인장강도 500MPa 이상, 도전율 25%IACS 이상을 만족하고 있다. 또한, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 40% 이상이 매트릭스의 결정내에 존재하고, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 어스펙트비가 1:1∼1:100에 분산되어 있고, 재료 가공중의 균열은 없고, 피삭성도 만족하고 있다.

비교예 2-10∼2-12는, 본 발명의 범위내의 합금 조성이지만, 감면 가공율이 본 발명의 범위외이며, 냉간 가공시에 균열이 생겼다. 비교예 2-13∼2-16은, 비교예 2-5와 같은 합금 성분이다. 비교예 2-13∼2-15는 본 발명의 범위내의 감면 가공이지만, S농도가 낮기 때문에, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 40% 이상이 매트릭스의 결정내에 존재하고 있지만 피삭성이 뒤떨어졌다. 비교예 2-16은, 본 발명의 범위외의 감면 가공으로 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 40% 이상이 매트릭스의 결정내에 존재하고, 균열은 생기지 않지만, 전신방향으로 평행한 단면의 황화물의 어스펙트비가 1:100을 넘어 분산되어 피삭성이 뒤떨어졌다.

(실시예 2-3)

표 2-1의 본 발명예 2-6 및 본 발명예 2-16의 합금 조성으로, 실시예 1-3과 마찬가지로 하여 커넥터의 삽발성에 대해 평가하였다. 그 결과를 나타내는 표 2-3으로부터 본 발명예는 종래예 2-2의 쾌삭 베릴륨동과 동등한 삽발성을 나타내고, 우수한 커넥터 핀인 것을 알 수 있다. 종래예 2-1의 쾌삭 인청동의 삽발성은, 본 발명예보다 뒤떨어져 있다.

[표 2-3]

본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했지만, 우리는 특별히 지정하지 않는 한 우리의 발명을 설명의 어느 상세한 부분으로도 한정하려고 하는 것이 아니라, 첨부된 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하지 않고 폭넓게 해석되어야 한다고 생각한다.

본원은, 2010년12월16일에 일본에서 특허출원된 특원2010-280946에 기초하는 우선권, 2010년9월17일에 일본에서 특허출원된 특원 2010-210201에 기초하는 우선권, 2010년6월24일에 일본에서 특허출원된 특원 2010-143420에 기초하는 우선권, 및 2010년4월7일에 일본에서 특허출원된 특원 2010-88228에 기초하는 우선권을 주장하는 것이고, 이것들은 모두 여기에 참조하여 그 내용을 본 명세서에 기재된 일부로서 차지한다.

10 : 구리합금봉
10' : 전신방향으로 절단한 구리합금봉
10a : 전신방향으로 평행한 단면
R : 전신방향
21 : 결정립계
22 : 결정립계에 있는 황화물
23 : 결정립내 황화물
24 : 황화물의 전신방향으로 수직방향의 길이
25 : 황화물의 전신방향으로 평행방향의 길이
50,60 : 커넥터 핀
51,61 : 슬릿
62 : 테이퍼부

Claims

Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 전신재로서, 황화물이 분산되어 있고, 상기 황화물의 평균 직경은 0.1∼10㎛이고, 상기 황화물의 면적률은 0.1∼10%이고, 또한, 인장강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재.
Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass% 함유하고, 또한, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 총량으로 0.05∼2.0mass% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 전신재로서, 황화물이 분산되어 있고, 상기 황화물의 평균 직경은 0.1∼10㎛이고, 상기 황화물의 면적률은 0.1∼10%이고, 또한, 인장강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재.
제 1 항에 있어서, 상기 황화물이 Cu-S인, 구리합금 전신재.
제 2 항에 있어서, 상기 황화물이, Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S, 및 Zn-S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류인, 구리합금 전신재.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 제조하는 방법으로서, 주조시의 냉각속도를 0.1∼50℃/초로 하는 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재의 제조방법.
Ni를 1.5∼7.0mass%, Si를 0.3∼2.3mass%, S를 0.02∼1.0mass% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금 전신재로서, 전신방향으로 평행한 단면에서 황화물이 면적률 40% 이상으로 매트릭스의 결정내에 존재하고, 상기 황화물은 전신방향으로 평행한 단면에서 어스펙트비가 1:1∼1:100으로 매트릭스에 분산되어 있고, 또한, 인장강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재.
제 6 항에 있어서, Sn, Mn, Co, Zr, Ti, Fe, Cr, Al, P 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 총량으로 0.05∼2.0mass% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재.
제 6 항에 있어서, 상기 황화물은 Cu-S인, 구리합금 전신재.
제 7 항에 있어서, 상기 황화물은, Cu-S, Mn-S, Zr-S, Ti-S, Fe-S, Al-S, Cr-S 및 Zn-S계중 어느 황화물로부터 선택되는 1종류 이상인, 구리합금 전신재.
구리합금 전신재를 제조하는 방법에 있어서, 제 6 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 이루는 조성을 가지는 구리합금에 대하여, 이하의 (a) (b)의 어느 한쪽의 공정을 실시하고, 그 후, 0%∼95%의 감면 가공을 실시하고,
350~600℃에서 시효 처리하는 것을 특징으로 하는 구리합금 전신재의 제조방법.
(a) 열간 가공 후에 급랭한다.
(b) 열간 가공 후, 냉간 가공과 온도 600℃∼1000℃의 열처리를 1회 이상 반복하고, 최종 냉간 가공전에 용체화 처리를 실시한다.
삭제
제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 기재된 구리합금 전신재를 절삭 가공하여 형성된 구리합금 부품.
제 12 항에 있어서, 전자기기 부품, 구조 부품, 또는 요소 부품의 용도에 이용되는, 구리합금 부품.