KR102209160B1 - 고강도 Cu-Ni-Co-Si계 구리 합금 판재 및 이의 제조법 및 통전 부품 - Google Patents

Abstract

0.2% 내력이 980MPa 이상이라고 하는 매우 높은 강도를 가지며, 도전율, 내응력완화 특성 및 프레스 가공성도 양호한 구리 합금 판재를 제공한다. 질량%로, Ni와 Co의 합계: 2.50 내지 4.00%, Co: 0.50 내지 2.00%, Si: 0.70 내지 1.50%, Fe: 0 내지 0.50%, Mg: 0 내지 0.10%, Sn: 0 내지 0.50%, Zn: 0 내지 0.15%, B: 0 내지 0.07%, P: 0 내지 0.10%, REM(희토류 원소): 0 내지 0.10%이고, Cr, Zr, Hf, Nb, S의 합계 함유량이 0 내지 0.01%이고, 잔부 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 입자 직경 5㎛ 이상의「조대 제2상 입자」의 개수 밀도가 10개/mm² 이하, 입자 직경 5 내지 10nm의 「미세 제2상 입자」의 개수 밀도가 1.0×10⁹개/mm²개 이상이고, 모상 중의 Si 농도가 0.10질량% 이상인 구리 합금 판재.

Description

고강도 Cu-Ni-Co-Si계 구리 합금 판재 및 이의 제조법 및 통전 부품{HIGH STRENGTH Cu-Ni-Co-Si BASED COPPER ALLOY SHEET MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND CURRENT CARRYING COMPONENT}

본 발명은, 커넥터, 리드 프레임, 릴레이, 스위치 등의 전기·전자 부품에 적합한 Cu-Ni-Co-Si계 구리 합금 판재(板材)에 있어서 특히 우수한 강도 레벨을 갖는 것, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

커넥터, 리드 프레임, 릴레이, 스위치 등의 통전(通電) 부품으로서 전기·전자 부품에 사용되는 재료에는, 통전에 의한 줄(Joule) 열의 발생을 억제하기 위해 양호한「도전성」이 요구되는 동시에, 전기·전자 기기의 조립시나 작동시에 부여되는 응력에 견딜 수 있는 높은「강도」가 요구된다. 또한, 커넥터 등의 전기·전자 부품으로의 가공을 고려하면 프레스 타발성(打拔性)이 양호한 것도 중요하다.

특히 최근, 커넥터 등의 전기·전자 부품은 소형화 및 경량화가 진행되는 경향이 있고, 그에 따라, 소재인 구리 합금의 판재에는 박육화의 요구(예를 들면, 판 두께가 0.15mm 이하, 또한 0.10mm 이하)가 높아지고 있다. 이로 인해, 소재에 요구되는 강도 레벨, 도전성 레벨은 한층 엄격해지고 있다. 구체적으로는 0.2% 내력 980MPa 이상, 경우에 따라서는 1000MPa의 강도 레벨과, 도전율 30% IACS 이상의 도전성 레벨을 함께 갖는 소재가 요망되고 있다.

또한, 전기·전자 부품이 가혹한 환경에서 사용되는 경우가 많아짐에 따라, 소재인 구리 합금 판재에는「내응력완화 특성」에 대한 요구도 엄격해지고 있다. 특히 자동차용 커넥터에는 고온에 노출되는 환경하에서의 사용을 전제로 한 성능이 요구되고 있고, 내응력완화 특성은 매우 중요하다.

한편, 민생용 커넥터에서는 소형화, 협(狹)피치화가 진행되어, 타발 단면에서의 통전이 요구되는 경우도 있다. 그러한 용도에서는 양호한「프레스 타발성」을 구비하는 것도 강하게 요구되고 있다.

대표적인 고강도 구리 합금으로서, Cu-Be계 합금(예를 들면, C17200; Cu-2% Be), Cu-Ti계 합금(예를 들면, C19900; Cu-3.2% Ti), Cu-Ni-Sn계 합금(예를 들면, C72700; Cu-9% Ni-6% Sn) 등을 들 수 있다. 그러나, 비용과 환경 부하의 시점(視點)에서 최근 Cu-Be계 합금을 경원(敬遠)하는 경향(소위 탈(脫)베릴륨 지향)이 강해지고 있다. 또한, Cu-Ti계 합금 및 Cu-Ni-Sn계 합금은 고용(固溶) 원소가 모상(母相) 내에 주기적인 농도 변동을 갖는 변조(變調) 구조(스피노달 구조)를 가지며, 강도는 높지만, 도전율이, 예를 들면, 10 내지 15% IACS 정도로 낮다.

한편, Cu-Ni-Si계 합금(소위 코르손 합금)은, 강도와 도전성의 특성 균형이 비교적 우수한 재료로서 주목받고 있다. 이러한 종류의 합금계에서는, 예를 들면, 용체화(溶體化) 처리, 냉간 압연, 시효 처리, 마무리 냉간 압연 및 저온 소둔(燒鈍)을 기본으로 하는 공정에 의해, 비교적 높은 도전율(30 내지 50% IACS)을 유지하면서 700MPa 이상의 0.2% 내력을 갖는 판재를 수득할 수 있다. 그러나, 이 합금계에 있어서 가일층의 고강도화에 대응하는 것은 반드시 용이하지는 않다.

Cu-Ni-Si계 구리 합금 판재의 고강도화 수단으로서 Ni, Si의 다량 첨가나 시효 처리 후의 마무리 압연(조질(調質) 처리)율의 증대 등의 일반적 수법이 알려져 있다. Ni, Si의 첨가량 증대에 따라 강도는 증대되어 간다. 그러나, 어느 정도의 첨가량(예를 들면, Ni: 3%, Si: 0.7% 정도)을 초과하면 강도의 증대가 포화되는 경향이 있어, 980MPa 이상의 0.2% 내력을 달성하는 것은 매우 곤란하다.

WO2011/068134호 일본 공개특허공보 특개2009-242890호 일본 공개특허공보 특개2008-248333호 일본 공개특허공보 특개2011-252188호 일본 공개특허공보 특개2009-242932호 일본 공개특허공보 특표2011-508081호 일본 공개특허공보 특개2011-231393호 일본 공개특허공보 특개2011-84764호

Cu-Ni-Si계 합금의 개량계(改良系)로서, Co를 첨가한 Cu-Ni-Co-Si계 합금이 알려져 있다. Co는 Ni와 같이 Si와의 화합물을 형성하기 때문에 Ni-Co-Si계 화합물을 형성하지만, 시효 온도에 의해 Co보다도 Ni를 많이 함유하는 Ni-Si계 화합물, Ni보다도 Co를 많이 함유하는 Co-Si계 화합물의 2종류의 화합물이 형성된다. Ni-Si계 화합물의 최적의 석출 온도는 450℃ 전후(일반적으로 425 내지 475℃)이지만, Co-Si계 화합물의 최적의 석출 온도는 520℃ 전후(일반적으로 500 내지 550℃)로 높고, 양자의 최적의 시효 온도 범위는 일치하지 않는다. 이로 인해, 예를 들면, Ni-Si계 화합물에 더하여 450℃에서 시효 처리를 실시한 경우에는 Co-Si계 화합물의 석출 속도가 충분하지 않으며, 또한 Co-Si계 화합물에 더하여 520℃에서 시효 처리를 실시한 경우에는 Ni-Si계 화합물이 조대화(粗大化)되어 피크 경도가 낮아져 버린다. 중간적인 온도, 예를 들면, 480℃에서 시효 처리해도, 2종류의 석출물의 최적 상태를 동시에 달성할 수는 없다.

또한, Cu-Ni-Co-Si계 합금은 가공율이 높은 영역에서의 가공 경화능이 그다지 높지 않다. 예를 들면, 20% 이하의 저가공 영역에서는 가공에 수반되는 강도 상승 효과는 크지만, 또한 압연율을 높여 가면 가공 경화의 증가율이 저하된다. 이로 인해, 냉간 압연에서의 가공 경화를 이용하여 매우 높은 강도 레벨을 실현하는 것은 곤란하다고 되어 있다.

Cu-Ni-Co-Si계 합금의 강도 특성을 개선하는 수단으로서, Cu 중으로의 고용한(固溶限)이 매우 작고 Si와 화합물을 만드는 Cr, Zr 등에 의한 석출 강화를 활용하는 수법이나, Sn, Zn 등에 의한 고용 강화를 병용하는 수법이 유효하다. 그러나, Cr이나 Zr을 첨가한 경우에는 조대한 정출물(晶出物), 석출물이 형성되기 쉽고, 통상의 제조 방법에서는 석출 제어가 어렵다. 조대한 정출물, 석출물의 입자는 커넥터 등으로의 프레스 가공시에 탈락하여 타발 단면 형상을 악화시킬 뿐만 아니라, 그 탈락물이 금형 마모의 원인이 되어 금형의 메인터넌스 비용을 현저하게 증대시키는 경우도 있다. 이들 입자는 굴곡 가공시에 크랙의 기점이 되기 쉬워, 가공성의 면에서도 문제가 된다. 한편, Sn이나 Zn의 고용 강화는 고강도화에 효과적이지만, 고용에 의한 도전율의 저하를 초래하기 때문에, 적용은 한정적이 된다.

특허문헌 1에는 Cu-Ni-Co-Si계 합금의 집합 조직을 제어하여 가공성을 향상시키는 기술이 기재되어 있다. 고강도화에 관해서는 특단의 고안이 되어 있지 않으며, 예시되어 있는 많은 합금은 0.2% 내력 700 내지 930MPa 정도의 강도에 그친다. 이 중에는 1000MPa의 예도 나타나지만, 이것은 Ni 함유량이 4.9질량%로 매우 높은 합금이다. 이러한 다량의 Ni 첨가는 조대 석출물의 형성에 의해 프레스 타발성의 저하를 초래한다.

특허문헌 2에는 0.1 내지 1㎛ 사이즈의 제2상 입자의 개수 밀도를 제어함으로써 Cu-Ni-Co-Si계 합금의 탄력 한계값을 향상시키는 기술이 기재되어 있다. 강도 레벨은 0.2% 내력이 900MPa 정도 이하로 낮다.

특허문헌 3에는 열간 압연 및 용체화의 조건을 적정화함으로써 조대한 제2상 입자의 생성을 억제한 Cu-Ni-Co-Si계 합금이 개시되어 있다. 이 경우도 강도 레벨은 0.2% 내력이 800 내지 900MPa 정도로 낮다.

특허문헌 4에는 시효 공정을 2단계로 나누어 실시함으로써 나노 오더의 석출물을 제어하여, 강도, 내세팅성(setting resistance)을 향상시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 920MPa 이상의 0.2% 내력은 수득되고 있지 않다.

특허문헌 5에는 열간 압연 종료 온도를 850℃ 이상으로 하고, 그 후 85% 이상의 냉간 가공을 가한 후에 시효 처리, 용체화 처리를 실시하여 Cu-Ni-Co-Si계 합금의 결정립 사이즈를 제어하여, 기계적 특성의 불균일을 억제하는 것이 기재되어 있다. 단, 강도의 평균값이 950MPa를 상회하는 것은 나타나 있지 않다. 강도의 불균일도 30MPa 이상의 것의 대부분이며, 고정밀도의 부품을 수득하기 위해서는 반드시 충분하다고는 할 수 없다. 이 문헌의 기술에서는, 불균일을 포함한 경우에도 0.2% 내력이 980MPa 이상의 강도를 수득하기 위해서는 0.2질량%를 초과하는 다량의 Cr의 첨가가 필요해지고 있고, 그 경우에는 프레스 타발성의 저하가 우려된다.

특허문헌 6에는 첨가 원소의 비를 적정화함으로써 강도를 높인 Cu-Ni-Co-Si계 합금이 나타나 있다. 석출물 제어에 관해서 충분히 검토되고 있지 않으며, 0.2% 내력이 980MPa 이상의 강도를 수득하기 위해서는 Cr의 첨가가 필요해지고 있다. 또한, Sn을 많이 첨가한 경우에도 높은 강도가 수득되고 있지만, 그 경우에는 Sn의 고용에 의한 도전율의 저하가 문제가 되기 쉽다.

특허문헌 7, 8에는 Ni-Si계 및 Co-Si계의 2종류의 화합물의 석출을 제어함으로써 도전율 30% IACS 이상, 0.2% 내력 900MPa 이상의 특성을 실현한 Cu-Ni-Co-Si계 합금이 소개되어 있다. 그러나, 980MPa 이상의 0.2% 내력은 수득되고 있지 않다.

본 발명은, 종래와 동등한 비용으로 제조 가능한 Cu-Ni-Co-Si계 구리 합금 판재로서, 특히 0.2% 내력이 980MPa 이상, 또는 1000MPa 이상이라고 하는 매우 높은 강도를 가지며, 또한 도전율 30% IACS 이상, 보다 바람직하게는 34% 이상을 가지며, 내응력완화 특성 및 프레스 가공성도 양호한 구리 합금 판재를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적은, 질량%로, Ni와 Co의 합계: 2.50 내지 4.00%, Co: 0.50 내지 2.00%, Si: 0.70 내지 1.50%, Fe: 0 내지 0.50%, Mg: 0 내지 0.10%, Sn: 0 내지 0.50%, Zn: 0 내지 0.15%, B: 0 내지 0.07%, P: 0 내지 0.10%, REM(희토류 원소): 0 내지 0.10%이고, Cr, Zr, Hf, Nb, S의 합계 함유량이 0 내지 0.01%이고, 잔부 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 조성을 가지며, 모상 중에 존재하는 제2상 입자 중, 입자 직경 5㎛ 이상의「조대 제2상 입자」의 개수 밀도가 10개/mm² 이하, 입자 직경 5 내지 10nm의「미세 제2상 입자」의 개수 밀도가 1.0×10⁹개/mm²개 이상이고, 모상 중의 Si 농도가 0.10질량% 이상인 구리 합금 판재에 의해 달성된다. 이 구리 합금 판재는, 압연 방향의 0.2% 내력이 980MPa 이상 또는 1000MPa 이상으로 매우 높고, 도전율은 30% IACS 이상이다.

여기서, REM(희토류 원소)은 란타노이드계의 각 원소, Y 및 Sc이다. 모상(매트릭스) 중의 Si 농도는 이하와 같이 하여 구해지는 값을 채용한다. TEM(투과형 전자 현미경)에 부속된 EDS(에너지 분산형 X선 분광 분석) 장치로 가속 전압 200kV로 시료의 Cu 모상의 부분에 전자 빔을 조사하고, EDS 분석 결과로서 수득된 Cu 농도(질량%)가 100-(Cu 이외의 합금 원소의 실제 합계 질량%)를 하회하는 경우, 즉 EDS 분석 결과로서 수득된「Cu 이외의 합금 원소」의 총량이 습식 분석에 의해 정해지는 이들 원소의 실제 함유량 총합을 상회하는 경우에는, 당해 EDS 분석값은 제2상 입자의 영향을 과잉하게 받고 있다고 판단하여 채용하지 않고, 그 이외의 경우에 있어서의 10개소 이상의 EDS 분석값에 있어서의 Si의 분석값(질량%)의 평균값을, 당해 시료의 모상 중의 Si 농도(질량%)로 한다.

상기 구리 합금 판재의 제조 방법으로서, 상기의 화학 조성을 갖는 구리 합금의 주편(鑄片)에 대해, 1000 내지 1060℃에서 2시간 이상의 가열 유지를 실시한 후에 열간 압연을 실시하는 공정,

상기 열간 압연 후의 판재에 냉간 압연을 실시하는 공정,

상기 냉간 압연 후의 판재에 900 내지 1020℃에서의 고용화(固溶化) 열처리를 실시하는 공정,

상기 고용화 열처리 후의 판재에, 재료 온도가 600 내지 800℃의 범위에 있는 시간을 5 내지 300초 확보한 후 600℃로부터 300℃까지의 평균 냉각 속도가 50℃/초 이상이 되도록 급냉하는 열이력을 부여하는 공정,

상기 열이력을 부여한 판재에 대해, 300 내지 400℃에서의 시효 처리를 실시함으로써, 입자 직경 5 내지 10nm의 「미세 제2상 입자」의 개수 밀도가 1.0×10⁹개/mm²개 이상이고 또한 모상 중의 Si 농도가 0.10질량% 이상인 금속 조직으로 하는 공정

을 갖는 제조 방법이 제공된다.

상기 시효 처리 후에, 압연율 20 내지 80%의 마무리 냉간 압연을 실시할 수 있고, 또한 그 냉간 압연 후에 300 내지 600℃의 범위에서 저온 소둔을 실시할 수 있다.

상기 구리 합금 판재는, 프레스 타발을 거쳐 커넥터, 리드프레임, 릴레이 및 스위치 중 어느 하나인 통전 부품을 제작하기 위해 매우 유용하다.

본 발명에 의하면, Cu-Ni-Co-Si계 합금에 있어서 0.2% 내력이 980MPa 이상, 또는, 또한 1000MPa 이상이라고 하는 매우 높은 강도를 갖는 구리 합금 판재를 실현할 수 있다. 이 구리 합금 판재는 도전율 30% IACS 이상, 또는, 또한 34% 이상이라고 하는 높은 도전성을 가지며, 또한 내응력완화 특성 및 프레스 가공성도 양호하다. 게다가, 종래 일반적인 Cu-Ni-Co-Si계 합금 판재와 동정도의 제조 비용으로 상기와 같은 고강도가 수득된다.

도 1은 타발 후의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

발명자들은, 연구의 결과, 이하와 같은 지견을 얻었다.

(a) Cu-Ni-Co-Si계 구리 합금 판재에 있어서, 입자 직경 5 내지 10nm의「미세 제2상 입자」의 개수 밀도를 1.0×10⁹개/mm²개 이상으로 했을 때, 석출 강화에 의한 현저한 강도 상승이 발현된다.

(b) Cu-Ni-Co-Si계 구리 합금 판재에 있어서, 모상 중의 Si 농도를 0.10질량% 이상 확보했을 때, 고 가공역에서의 가공 경화능이 현저하게 개선되어, 냉간 압연에서의 가공 경화를 이용한 고강도화에 매우 유리해진다.

(c) 상기「미세 제2상 입자」의 개수 밀도를 충분히 확보하기 위해서는, 고용화 열처리 후에 재료 온도가 600 내지 800℃의 범위에 있는 시간을 5 내지 300초 확보한 후 600℃로부터 300℃까지의 평균 냉각 속도가 50℃/초 이상이 되도록 급냉하는 열이력을 부여하는 동시에, 300 내지 400℃라는 저온에서의 시효 처리를 실시하는 것이 매우 유효하다. 또한, 그 저온 시효에 의해 모상 중의 Si 농도를 0.10질량% 이상으로 할 수 있다.

(d) 주편에 대해, 1000 내지 1060℃에서 2시간 이상의 가열 유지를 실시한 후에 열간 압연을 실시한 후에, 고용화 열처리를 실시함으로써, 시효 처리 전에 입자 직경 5㎛ 이상의「조대 제2상 입자」의 개수 밀도를 10개/mm² 이하로 억제하는 것이 가능하다. 이것에 의해「미세 제2상 입자」의 개수 밀도를 충분히 확보할 수 있는 동시에, 프레스 타발성도 개선된다.

본 발명은 이러한 지견에 기초하여 완성한 것이다.

〔제2상 입자〕

Cu-Ni-Co-Si계 합금은, fcc 결정으로 이루어진 모상(매트릭스) 중에 제2상 입자가 존재하는 금속 조직을 나타낸다. 여기서 말하는 제2상은 주조 공정의 응고시에 생성되는 정출상 및 그 후의 공정에서 생성되는 석출상이고, 당해 합금의 경우, 주로 Co-Si계 금속간 화합물상과 Ni-Si계 금속간 화합물상으로 구성된다. 본 명세서에서는 Cu-Ni-Co-Si계 합금에 관측되는 제2상 입자로서 이하의 입자 직경 범위에 속하는 2종류의 것을 규정한다.

(i) 조대 제2상 입자: 입자 직경 5㎛를 초과하는 것이며, 주로 주조 공정의 응고시에 생성된 제2상이 후공정에서 전부 고용화되지 않고 잔류한 입자로 이루어진다. 강도 향상에는 기여하지 않는다. 제품에 잔존하면 프레스 타발시의「도려내기」에 의해 탈락되어 단면 형상을 악화시키는 동시에, 탈락된 입자는 금형 마모의 원인이 된다. 또한, 굴곡 가공시의 균열의 기점이 되기 쉽다. 다양한 검토의 결과, 이러한 조대 제2상 입자의 존재량이 10개/mm² 이하의 개수 밀도로 억제되어 있으면 소형화가 진행되는 커넥터 등의 전자·전기 부품의 대량 생산에 대응할 수 있다. 5개/mm² 이하인 것이 보다 바람직하다. 조대 제2상 입자의 개수 밀도의 측정은, 측정 대상인 판재의 압연면을 전해 연마하여 Cu 소지(素地)만을 용해시키고, 그 표면에 노출된 제2상 입자의 수를 SEM(주사형 전자 현미경)에 의해 관찰함으로써 실시할 수 있다. 입자 직경은 입자를 둘러싸는 최소 원의 직경으로 한다.

(ii) 미세 제2상 입자: 입자 직경 5nm 이상 10nm 이하이고, 시효 처리로 생성된다. 강도 향상에 대한 기여가 매우 크다. 구리 합금에 있어서는 일반적으로 입자 직경 10nm 이하의 미세 석출물은 강도 향상에 대한 기여가 큰 것이 알려져 있고, Cu-Ni-Co-Si계 합금에서는, 예를 들면, 2 내지 10nm 정도의 석출물의 존재 밀도를 충분히 확보함으로써 고강도화가 가능하다고 여겨진다. 그러나, 0.2% 내력이 980MPa 이상이라고 하는 매우 높은 레벨의 강도를 수득하기 위해서는, 2 내지 10nm 정도의 입자 중에서도 특히 경화에 대한 기여가 큰 입자 직경 5 내지 10nm의 입자의 양을 충분히 확보할 필요가 있는 것을 알 수 있었다. 이로 인해 본 발명에서는 5 내지 10nm라는 좁은 입자 직경 범위에 있는 미세 제2상 입자의 양을 규정하고 있다. 발명자들의 상세한 검토에 의하면, 당해 미세 제2상 입자의 존재량은 1.0×10⁹개/mm²개 이상으로 하는 것이 매우 유효하다. 2.0×10⁹개/mm²개 이상으로 하는 것이 보다 효과적이며, 2.5×10⁹개/mm²개 이상으로 관리해도 좋다. 존재량의 상한에 관해서는 Ni 함유량, Co 함유량, Si 함유량 및 후술하는 모상 중 Si 농도의 규정에 의해 제한을 받기 때문에 특별히 정할 필요는 없지만, 통상, 5.0×10⁹개/mm²개 이하의 범위가 된다. 미세 제2상 입자의 개수 밀도의 측정은, 측정 대상인 판재로부터 채취한 시료를 TEM(투과형 전자 현미경)으로 관찰하여, 입자 직경 5 내지 10nm의 제2상 입자의 개수를 카운트함으로써 실시한다. 입자 직경은 입자를 둘러싸는 최소 원의 직경으로 한다.

〔화학 조성〕

본 발명에서 대상으로 하는 Cu-Ni-Co-Si계 합금의 성분 원소에 관해서 설명한다. 이하, 합금 원소에 관한「%」는 특별히 언급하지 않는 한「질량%」를 의미한다.

Ni 및 Co는, 각각 Ni-Si계 석출물 및 Co-Si계 석출물을 형성하여 구리 합금 판재의 강도와 도전성을 향상시키는 원소이다. 이들 2종류의 석출물의 공존에 의한 상승 효과에 의해 강도가 한층 향상된다. Ni와 Co의 합계량은 2.50% 이상으로 할 필요가 있다. 이것보다 적으면 충분한 석출 경화능이 수득되지 않는다. 3.00% 이상으로 하는 것이 보다 효과적이다. 단 Ni나 Co의 함유량 증대는 Si 화합물로서의 정출·석출 개시 온도를 높여, 주조시 등에 조대한 제2상의 형성을 조장하는 요인이 된다. 과잉으로 생성된 제2상은 후술하는 주편의 가열 유지에 의해서도 충분히 용해시키는 것이 어렵다. 조대 제2상 입자의 양을 상기 소정의 개수 밀도로 컨트롤하기 위해서는, Ni와 Co의 합계량을 4.00% 이하로 제한하는 것이 유효하다.

본 발명에서는, 특히 Co-Si계 석출물의 미세 분산을 활용하여 고강도화를 도모한다. Co는 Ni에 비해 Cu 중으로의 고용한이 작기 때문에, 동량의 Ni를 첨가한 경우보다 석출물의 형성량을 증대시킬 수 있다. 다양한 검토 결과, Co는 0.50% 이상의 함유량을 확보하는 것이 중요하며, 0.70% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 단, Co는 Ni보다 고융점의 금속이기 때문에, Co 함유량이 지나치게 높으면 후술하는 고용화 열처리에서의 고용이 불충분해지고, 미고용(未固溶)의 Co는 강도 향상에 유효한 Co-Si계 석출물의 형성에 사용되지 않아 쓸모없어진다. 또한, 다량으로 Co를 첨가하면 Ni 함유량의 허용 범위가 좁아져, Ni-Si계 석출물에 의한 경화 작용을 충분히 향수(享受)할 수 없을 우려가 있다. 또한, Co 함유량이 증대되면 응고시에 있어서의 조대한 제2상의 생성을 조장하여, 프레스 타발성이나 굴곡 가공성에 악영향을 미치는 경우가 있다. 이러한 점에서 Co 함유량은 2.00% 이하로 하는 것이 바람직하며, 1.80% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, Ni 함유량에 관해서는 상기한 Ni와 Co의 합계량에 의해 제한을 받기 때문에 특별히 규정할 필요는 없지만, 통상, 1.00 내지 3.00%의 범위에서 설정하면 좋다.

Si는, Ni-Si계 석출물 및 Co-Si계 석출물의 형성이 필요한 원소이다. Ni-Si계 석출물은 Ni₂Si를 주체로 하는 화합물이라고 생각되고, Co-Si계 석출물은 Co₂Si를 주체로 하는 화합물이라고 생각된다. 또한, 매우 높은 강도를 의도하는 본 발명에 있어서, Si는 모상의 가공 경화능을 향상시킨다는 중요한 기능을 담당한다. Cu 모상 중에 고용된 Si는 적층 결함 에너지를 저하시켜, 교차 미끄러짐의 발생을 억제함으로써, 가공 경화능을 높이는 작용을 발휘하는 것으로 생각된다. 고용 Si는 내응력완화 특성의 개선에도 유효하다. 이들 Si의 작용을 충분히 발휘시키기 위해서는 0.70% 이상의 Si 함유량을 확보하는 것이 요망되고, 0.80% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 과잉의 Si 첨가는 강도에 대한 기여가 작을뿐만 아니라, 용체화 온도의 상승에 의한 제조 비용의 증대, 조대 석출물의 형성에 의한 프레스 타발성의 저하 등의 폐해를 초래한다. Si 함유량은 1.50% 이하로 하는 것이 요망되고, 1.20% 이하로 관리해도 좋다.

기타 유의적인 원소로서, Fe, Mg, Sn, Zn, B, P 중 1종 이상을 필요에 따라 함유시켜도 좋다. Fe는 Fe-Si계 화합물의 형성에 의한 강도 향상 작용을 가지며, Mg는 내응력완화 특성의 향상에 유효하고, Sn은 고용 강화에 의한 강도 향상 작용을 가지며, Zn은 구리 합금 판재의 납땜성, 주조성을 개선하는 작용을 가지며, B는 주조 조직의 미세화 작용을 가지며, P는 탈산 작용에 의해 열간 가공성을 향상시키는 효과를 나타낸다. 또한, Ce, La, Dy, Nd, Y를 비롯한 REM(희토류 원소)은 결정 입자의 미세화나 석출물의 분산화에 유효하다. 이들 작용을 충분히 발휘시키기 위해서는, 각각 0.01% 이상(REM은 합계 0.01% 이상)의 함유량을 확보하는 것이 보다 효과적이다. 단, 이들 원소의 함유량이 과잉이 되면 도전율의 저하, 열간 가공성 또는 냉간 가공성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 이들 원소를 함유시키는 경우, Fe는 0.50% 이하, Mg는 0.10% 이하, Sn은 0.50% 이하, Zn은 0.15% 이하, B는 0.07% 이하, P는 0.10% 이하, REM은 0.10% 이하의 함유량으로 하는 것이 바람직하다. 또한 이들 원소의 함유량의 합계는 0.50% 이하, 또한 0.40% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

Cr, Zr, Hf, Nb, S의 각 원소에 관해서는, 가능한 한 함유량을 저감시키는 것이 바람직하다. 이들 원소는 다양한 구리 합금에 있어서 합금 원소로서 첨가되는 경우가 있다. 의도적으로 첨가하지 않는 경우에도 원료로부터 혼입되어, 통상의 구리 합금에서는 어느 정도의 함유가 허용된다. 그러나, 본 발명에서는 양호한 프레스 가공성을 부여할 필요성 및 고용 Si양을 확보할 필요성에서, 이들 원소의 함유량을 엄격하게 제한한다. 즉, Cu-Ni-Co-Si계 합금에 있어서 Cr, Zr, Hf, Nb, S가 존재하면, Si계 화합물의 형성이나 액상 이상(二相) 분리의 발생에 의해, 조대한 정출물, 석출물의 형성을 억제하는 것이 곤란해지기 쉬워, 프레스 타발성에 악영향을 미치는 경우가 있다. 또한, 모상 중의 Si 농도를 충분히 확보하는 것이 곤란해지기 쉽고, 그 경우에는 Si에 의한 가공 경화능의 개선 효과가 발휘되지 않는다. 다양한 검토 결과, Cr, Zr, Hf, Nb, S의 합계 함유량은 0.01% 이하로 관리하는 것이 요망되며, 0.005% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

〔모상 중의 Si 농도〕

종래의 Cu-Ni-Co-Si계 합금에 있어서는, 도전성을 향상시키고, 또한 강도를 높이기 위해 석출 상태가 피크가 되는 조직으로 하는 것이 상식이었다. 즉 모상 중의 si양을 가능한 한 저감시키는 조직 제어, 석출물 제어가 실시되어 왔다. 그러나, 발명자들의 연구에 의하면, Cu-Ni-Co-Si계 합금의 모상 중에 어느 정도의 고용 Si를 존재시킴으로써 특히 가공율 20%를 초과하는 가공 영역에서의 가공 경화능을 현저하게 향상시킬 수 있는 것이다. 모상 중에 고용된 Si에 의해 적층 결함 에너지가 저하되어 가공 초기에 적층 결함이 다량으로 생성되고, 그것에 의해 교차 미끄러짐이 일어나기 어려운 조직 상태가 형성되고, 또한 가공에 대한 저항력이 증대되는 것으로 생각된다. 이러한 Si의 작용에 의해 Cu-Ni-Co-Si계 합금의 약점이었던 가공 경화능이 크게 개선되어, 종래에 없는 강도 특성을 실현할 수 있었다. 또한, 고용 Si는 내응력완화 특성을 개선하는 효과도 있다. 고용 Si는 도전성 향상에는 마이너스 요인이지만, 상기의 제2상 입자의 제어와 조합함으로써, 도전율을 크게 손상시키지 않고 매우 높은 강도 레벨을 달성할 수 있다.

모상 중의 Si 농도는, 구체적으로는, 0.10질량% 이상으로 하는 것이 필요하고, 0.15질량% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하며, 0.20질량% 이상으로 하는 것이 한층 효과적이다. 단, 모상 중의 si양이 증대되어 가면 그에 따라 도전율이 저하되는 한편, 가공 경화능에 대한 기여가 작아진다. 모상 중 Si 농도의 상한은 원하는 도전율, 강도 특성의 균형에 따라 조정하면 된다. 상기한 미세 제2상 입자의 양을 확보할 필요에서, 모상 중의 Si 농도는 제한을 받기 때문에, 특히 그 상한을 규정할 필요는 없지만, 예를 들면, 30% IACS 이상의 도전율을 확보하기 위해서는, 모상 중의 Si 농도는 0.60질량% 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 0.50질량% 이하 또는, 또한 0.40질량% 이하의 범위로 관리해도 좋다.

〔평균 결정 입자 직경〕

평균 결정 입자 직경이 작을수록 결정립계 강화에 의해 강도 향상에 유리해지지만, 지나치게 작으면 내응력완화 특성의 저하를 초래한다. 구체적으로는 예를 들면, 최종적인 판재에 있어서 평균 결정 입자 직경이 5㎛ 이상이면 커넥터 용도에서도 만족할 수 있는 레벨의 내응력완화 특성을 확보하기 쉽다. 8㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 평균 결정 입자 직경이 지나치게 커지면 결정립계 강화의 기여가 작아지기 때문에, 30㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하며, 20㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 최종적인 평균 결정 입자 직경은, 시효 처리 전의 단계에 있어서의 결정 입자 직경에 의해 거의 결정되게 된다. 따라서, 평균 결정 입자 직경의 컨트롤은 후술하는 고용화 열처리에 의해 실시할 수 있다. 후술하는 고용화 열처리 조건에 따르면 5 내지 30㎛의 범위가 되기 때문에, 특히 평균 결정 입자 직경은 규정하지 않아도 좋다. 평균 결정 입자 직경이 지나치게 작은 경우에는 용체화 처리 후에 용질 원소가 충분히 고용되어 있지 않은 것을 의미하기 때문에, 그 때에는 미세 제2상 입자에 관한 상기의 규정을 만족시키지 않는 것이 통상적이다. 또한, 평균 결정 입자 직경의 측정은, 압연면을 연마한 단면에 관해서 금속 조직 관찰을 실시하고, JIS H0501의 절단법에 의해 실시한다. 그 때, 쌍정(雙晶) 경계는 결정립계로 간주하지 않는다.

〔특성〕

커넥터 등의 전기·전자 부품에 적용하는 소재에는, 부품의 단자 부분(삽입 부분)에 있어서, 삽입시의 응력 부하에 의한 좌굴, 변형이 발생하지 않는 강도가 필요하다. 특히 부품의 소형화 및 박육화에 대응하기 위해서는 강도 레벨에 대한 요구가 한층 엄격해진다. 본 발명에 따르는 구리 합금 판재는 0.2% 내력이 980MPa 이상이라고 하는 매우 높은 강도를 나타내고, 1000MPa 이상의 고강도로 조정할 수도 있다. 이러한 고강도 구리 합금 판재는 전기·전자 부품의 장래적인 더욱 소형화·박육화의 요구에 대해 매우 유리하다.

또한, 커넥터 등의 통전 부품은, 전기·전자 기기의 고집적화, 밀장화(密裝化) 및 대전류화(大電流化)에 대응하기 위해 종래보다 더 고도전율인 것에 대한 요구가 높아지고 있다. 구체적으로는 도전율이 30% IACS 이상인 것이 요망되고, 34% IACS 이상인 것이 보다 바람직하다.

〔제조 방법〕

상기의 구리 합금 판재는,「열처리 1→열간 압연→냉간 압연→열처리 2→시효 처리」의 프로세스를 거쳐 제조할 수 있다. 여기서, 열처리 1은 주편을 고온으로 가열 유지하는 공정이다. 열처리 2는 고용화 열처리와, 시효시에 Co-Si계 화합물의 석출을 촉진시키기 위한 전처리적인 열처리를 포함하는 특수한 열이력을 부여하는 공정이다. 시효 처리는 저온역에서 실시하는 점에 특징을 가진다. 시효 처리 후에「마무리 냉간 압연」을 실시할 수 있다. 또한, 그 후에는「저온 소둔」을 실시할 수 있다. 일련의 프로세스로서,「용해·주조→열간 압연→열처리 1→냉간 압연→열처리 2→시효 처리→마무리 냉간 압연→저온 소둔」의 프로세스를 예시할 수 있다. 이하, 각 공정에 있어서의 제조 조건을 예시한다.

〔용해·주조〕

일반적인 구리 합금의 용제(溶劑) 방법과 같은 방법에 의해, 구리 합금의 원료를 용해시킨 후, 연속 주조나 반연속 주조 등에 의해 주편을 제조할 수 있다. Co와 Si의 산화를 방지하기 위해, 목탄이나 카본 등으로 용탕(溶湯)을 피복하거나, 챔버 내에 있어서 불활성 가스 분위기하 또는 진공하에서 용해를 실시하는 것이 바람직하다.

〔주편의 가열 유지〕

주조 후에는, 주편을 1000 내지 1060℃로 가열 유지한다. 이것에 의해 주조시에 발생한 조대한 정출상, 석출상을 균질화한다. 1020 내지 1060℃의 유지 온도로 하는 것이 보다 바람직하다. 유지 시간은 응고 조직의 상황(주조 방법)에 따라 2 내지 6시간의 범위로 설정하면 좋다. 설정 온도가 1060℃를 초과하면 조업시의 조건 변동 등에 의해 재료가 용융될 위험이 있기 때문에 바람직하지 못하다. 이 열처리는 다음 공정의 열간 압연에 있어서의 가열 공정을 이용해도 좋다.

〔열간 압연〕

상기의 가열 유지를 끝낸 주편에 대해 열간 압연을 실시한다. 열연(熱延) 조건은 통상적인 방법에 따르면 좋다. 예를 들면, 주편을 1000 내지 1060℃로 가열한 후, 압연율 85 내지 97%의 열간 압연을 실시하고, 그 후, 수냉하는 조건을 예시할 수 있다. 최종 패스의 압연 온도는 700℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 압연율은 하기 식 (1)에 의해 나타낸다.

여기서, h₀은 압연 전의 판 두께(mm), h₁은 압연 후의 판 두께(mm)이다.

〔냉간 압연〕

열간 압연 후에는 적절히 냉간 압연을 실시하여, 판 두께를 감소시킨다. 목적하는 판 두께에 따라 중간 소둔을 사이에 개재한 복수회의 냉간 압연을 실시해도 좋다. 중간 소둔을 가하는 경우에는 제2상 입자의 조대화를 방지하는 관점에서 350 내지 600℃에서 실시하는 것이 바람직하며, 550℃ 이하에서 실시하는 것이 보다 바람직하다. 소둔 시간은, 예를 들면, 5 내지 20시간의 범위에서 설정할 수 있다.

〔고용화 열처리〕

일반적으로 시효 처리 전에는 용체화 처리를 실시한다. 용체화 처리의 주된 목적은 재결정화 및 용질 원자의 재고용화이다. 통상의 용체화 처리에서는, 석출물이 재고용되는 고온으로 유지한 후, 냉각 과정에서 부주의하게 석출이 발생하지 않도록 상온까지 급냉시킨다. 그 급냉 과정을 포함하여 용체화 처리라고 부르는 경우가 많다.

한편, 본 발명에 따르는 경우에 있어서도, 시효 경화를 이용하는 이상, 용체화의 공정이 필요하다. 승온 과정 및 고온 유지 과정에 관해서는 통상의 용체화 처리와 같은 조건을 채용할 수 있다. 단, 그 냉각 과정에서 후술하는 특수한 열이력을 부여할 수 있기 때문에, 본 명세서에서는 통상의 용체화 처리에 있어서의 승온 과정 및 고온에서의 유지 과정에 상당하는 부분을「고용화 열처리」라고 칭하고 있다. 구체적으로는 상기의 냉간 압연을 끝낸 판재를 900 내지 1020℃, 보다 바람직하게는 950 내지 1020℃로 가열 유지한다. 유지 온도가 지나치게 낮으면 재결정화나 용질 원자의 재고용화가 충분히 진행되지 않거나, 또는 장시간의 유지를 요하기 때문에 바람직하지 못하다. 유지 온도가 지나치게 높으면 결정립의 조대화를 초래하기 쉽다. 보다 구체적으로는, 이 가열 유지에 의해 평균 결정 입자 직경이 5 내지 30㎛, 보다 바람직하게는 8 내지 20㎛가 되도록 가열 온도에 따라 유지 시간을 설정하면 좋다. 통상, 유지 시간은 0.5 내지 10분의 범위 내에 최적 조건을 찾아낼 수 있다. 이 가열 유지에 의해 조대한 정출상을 완전히 고용화할 수는 없지만, 통상의 용체화 처리와 같이, 시효 처리로 충분한 석출을 일으키는 것이 가능하도록 모상 중에 용질 원자를 고용시킨다.

고용화 열처리의 냉각 과정을 이용하여 후술하는 전구 처리를 실시할 수 있지만, 이를 위해서는 연속 열처리 설비가 필요해진다. 연속 열처리는 대량 생산에 적합하지만, 실시할 수 없는 경우에는, 고용화 열처리 후, 상온까지 급냉해도 좋다(통상의 용체화 처리에 상당).

〔고용화 열처리 후의 전구 처리〕

Cu-Ni-Co-Si계 합금에서는 Ni-Si계 및 Co-Si계의 2종류의 석출물이 각각 고강도화에 기여할 수 있다. 그러나, 양자는 최적의 석출 온도와 시간이 일치하지 않는다(어긋나 있다). 최적의 석출 온도는 Ni-Si계에서는 450℃ 전후, Co-Si계에서는 520℃ 전후이다. 이로 인해, 통상, 이들 2종류의 석출물에 의한 시효 경화를 동시에 최대한 이용하는 것은 어렵다. 그러나 발명자들의 연구에 의하면, 상기의 고용화 열처리를 끝낸 상태의 재료를 600 내지 800℃의 온도역에서 5 내지 300초 유지하면, 후술하는 저온 시효 처리에서 Co-Si계 화합물이 석출되기 쉬운 조직 상태가 수득되는 것을 알 수 있었다. 이 600 내지 800℃의 온도역은 Ni-Si계 화합물은 거의 석출되지 않으며, 또한 Co-Si계 화합물에 있어서는 석출은 발생하지만 최적의 석출 온도를 초과하여 높은 온도역이다. 이 온도역에서 Co-Si계 화합물의 석출에 적합한 조직 상태가 수득되는 메카니즘에 관해서는 현시점에서 반드시 명확하지는 않지만, 아마 용질 원자가 충분히 고용된 모상을 당해 온도역에 단시간에 노출시키면, Co, Si를 주로 하는 엠브리오가 형성되고, 이것이 후술하는 저온 시효 처리에서 Co-Si계 화합물의 석출의 구동력이 되는 것은 아닐까하고 추찰된다. 이 엠브리오의 생성은 Co-Si계 화합물 석출의 전구 현상이라고 생각할 수 있다. 이로 인해 본 명세서에서는 당해 600 내지 800℃에서의 유지를「전구 처리」라고 부른다.

전구 처리는 상기의 고용화 열처리를 끝내고 용질 원자가 충분히 고용된 조직 상태에 있는 판재에 대해, 재료 온도가 600 내지 800℃의 범위에 있는 시간을 5 내지 300초 확보한 후 600℃로부터 300℃까지의 평균 냉각 속도가 50℃/초 이상이 되도록 급냉하는 열이력을 부여함으로써 실시한다. 600 내지 300℃의 체재 시간이 길어지면 Co-Si계 또는 Ni-Si계 화합물이 생성되어 버려, 상기한 Co-Si계 화합물의 석출의 구동력이 시효 처리에 있어서 충분히 발휘되지 않는다. 800℃보다 고온측에서는 상기한 엠브리오의 형성이 불충분해진다. 또한 600 내지 800℃의 체재 시간이 지나치게 짧으면 엠브리오의 형성이 불충분해지고, 지나치게 길면 Co-Si계 화합물이 석출되어 조대화되는 경우가 있고, 강도 향상이 불충분해진다. 특히 효과적인 조건으로서 650 내지 750℃의 범위에 있는 시간을 20 내지 300초 확보하는 조건을 들 수 있다.

이 전구 처리는 상기한 바와 같이 연속 열처리 설비에 의해 고용화 열처리의 냉각 과정을 이용하여 실시하는 것이 효율적이다. 그 경우, 고용화 열처리의 유지 온도에서부터 800℃까지의 평균 냉각 속도가 50℃/초 이상이 되도록 냉각시킨 후 전구 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또한 통상의 용체화 처리(고용화 처리)를 실시한 재료를 재가열함으로써 전구 처리에 제공해도 좋다. 그 경우에는 용체화 처리 후의 냉각 과정에 있어서 600 내지 300℃의 냉각 속도를 50℃/초 이상으로 하고, 또한 재가열시의 승온 과정에 있어서 300 내지 600℃의 승온 속도를 50℃/초 이상으로 함으로써, 가능한 한 Ni-Si계 화합물이 승온 과정에서 생성되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

〔시효 처리〕

상기의 고용화 열처리 및 전구 처리의 열이력을 부여한 상태의 판재에 대해, 시효 처리를 실시한다. 일반적으로 Cu-Ni-Co-Si계 합금의 시효 처리는 520℃ 전후에서 실시되지만, 본 발명에 따르는 시효 처리는 300 내지 400℃라는 종래에는 설정할 수 없는 저온역에서 실시하는 것에 특징이 있다. 전공정(前工程)의 전구 처리에서 Co-Si계 화합물 입자의 핵 생성에 관한 자유 에너지가 대폭 저감되어 Co-Si계 화합물이 매우 석출되기 쉬운 조직 상태로 되어 있기 때문에, 이러한 저온에서의 시효가 가능해지는 것으로 생각된다. 이 저온 시효 처리에 의하면, 강도 향상에 가장 효율적인 입자 직경 5 내지 10nm의 미세 제2상 입자가 다량으로 형성되는 것을 알 수 있었다. 그 원인으로서, (i) 저온에서의 시효 처리는 통상보다 고용한이 좁아진 온도역에서의 열처리가 되기 때문에 평형론적으로 제2상 입자의 생성 가능량이 증대되어 있기 때문에, 충분히 시효 시간을 확보하면 석출량을 증대시킬 수 있는 것, (ii) 본래 석출 온도가 높은 Co-Si계의 제2상 입자에 대해서는 300 내지 400℃의 저온역에서는 석출물 성장의 자유 에너지가 작기 때문에, 입자의 성장이 진행되기 어려워, 입자 직경 10nm 이하인 채로 머무르는「미세 제2상 입자」가 많이 존재하게 되는 것을 생각할 수 있다. 이 저온 시효 처리에 의해 Ni-Si계 화합물의 석출도 발생하는 것이 확인되었다. 따라서, 종래는 어려웠던 2종류의 석출물에 의한 석출 경화 현상을 향수할 수 있다.

시효 처리 조건을 설정할 때는, 시효 처리 후에 입자 직경 5 내지 10nm의「미세 제2상 입자」의 개수 밀도가 1.0×10⁹개/mm²개 이상이 되고, 또한 모상 중의 Si 농도가 0.10 이상이 되는 조건을 채용한다. 시효 처리 온도가 300 내지 400℃로 낮기 때문에 통상의 시효 처리보다도 원자의 확산 속도가 느리다. 이로 인해 모상 중에 적량의 고용 Si를 잔존시키기 위한 시효 시간의 허용 범위가 확대되어, 모상 중 Si 농도의 컨트롤이 가능해지는 것이다. 최적의 시효 시간은 3 내지 10시간의 범위에서 찾아낼 수 있다.

최적의 시효 조건을 결정하는 지표로서, 하기 식 (2)를 들 수 있다.

여기서, ECmax는 400 내지 600℃의 온도 범위에서 50℃ 간격으로 10시간 열처리를 실시한 경우에 수득되는 최대의 도전율, ECage는 시효 처리 후의 도전율이다. ECage/Ecmax를 0.60 이상으로 함으로써 석출량이 충분히 확보되어, 강도, 도전율의 개선에 유리해진다. 또한, ECage/ECmax를 0.80 이하로 함으로써 모상 중의 Si 농도가 충분히 확보되어, 가공 경화능의 개선에 유리해진다.

〔마무리 냉간 압연〕

시효 처리를 끝낸 판재에 대해 압연율 20 내지 80%의 마무리 냉간 압연을 실시하는 것이 현저한 고강도화를 도모하는데 있어서 매우 유리하다. 전공정의 시효 처리에서 모상 중 Si 농도가 소정량 확보되어 있는 것에 기인하는 가공 경화가 발휘되어, 초고강도화를 실현할 수 있다. 압연율이 20% 이상이 되면 모상 중에 존재시킨 고용 Si에 의한 가공 경화능의 향상 효과가 현재화되게 된다. 25% 이상의 압연율로 하는 것이 보다 효과적이며, 30% 이상으로 하는 것이 한층 효과적이다. 단, 압연율이 높아지면 강도의 상승이 포화되는 한편, 내응력완화 특성의 저하나 굴곡 가공성의 저하를 초래하기 때문에, 용도에 따라 마무리 압연율을 적정하게 설정할 필요가 있다. 내응력완화 특성이나 굴곡 가공성이 중시되는 부품에 사용되는 경우에는, 80% 이하로 할 필요가 있고, 60% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

〔저온 소둔〕

마무리 냉간 압연 후에는, 저온 소둔 경화에 의한 강도의 향상, 구리 합금 판재의 잔류 응력의 저감, 탄력 한계값과 내응력완화 특성의 향상을 목적으로 하여, 저온 소둔을 실시하는 것이 바람직하다. 가열 온도는 300 내지 600℃의 범위로 설정한다. 이것에 의해 판재 내부의 잔류 응력이 저감되고, 도전율을 향상시키는 효과도 있다. 이 가열 온도가 지나치게 높으면 단시간에 연화되고, 뱃치식으로도 연속식으로도 특성의 불균일이 일어나기 쉬워진다. 한편, 가열 온도가 지나치게 낮으면 상기한 특성을 개선하는 효과가 충분히 수득되지 않는다. 가열 시간(재료 온도가 300 내지 600℃에 있는 시간)은 5초 이상으로 하는 것이 바람직하며, 통상 1시간 이내에 양호한 결과가 수득된다. 상기한 시효 처리에서 생성된「미세 제2상 입자」의 조대화를 방지하기 위해, 400℃를 초과하는 온도로 저온 소둔을 실시하는 경우에는 2시간 이하로 실시하는 것이 바람직하다.

실시예

표 1에 기재하는 화학 조성의 구리 합금을 고주파 용해로를 사용하여 용해시켜, 두께 60mm의 주편을 수득하였다. 주편을 열간 압연 공정의 가열로에서 가열 유지한 후, 열간 압연에 제공하였다. 그 가열 유지는 일부의 예를 제외하고 1030℃×3시간으로 하였다. 열간 압연은 최종 패스 온도 700 내지 800℃에서 두께 10mm까지 압연한 후 10℃/초 이상의 냉각 속도로 수냉하는 방법으로 실시하였다. 열연판 표면의 산화 스케일을 면삭에 의해 제거하였다. 그 후, 「압연율 82%의 냉간 압연→500℃×10시간의 중간 소둔→산세(酸洗)→냉간 압연」의 공정에 의해 냉연재(冷延材)를 제작하였다. 중간 소둔 후의 냉간 압연에서의 압연율은, 마무리 냉간 압연 후의 최종 판 두께(후술 공시재(供試材)의 판 두께)가 0.15mm로 일정해지도록 조정하였다.

상기 냉연재에 대해, 표 2에 기재하는 온도, 시간에서 가열 유지하는 고용화 열처리를 실시한 후, 솔트 배쓰에 침지하여 표 2에 기재하는 고용화 후의 유지 온도, 시간으로 유지하고, 그 후 수냉하는 열이력을 부여하였다. 고용화 열처리는, 일부의 예를 제외하고 평균 결정 입자 직경이 5 내지 30㎛가 되도록 조건을 컨트롤하였다. 평균 결정 입자 직경은 압연면을 연마한 단면에 관해서 JIS H0501의 절단법에 의해 정해지는 값을 채용한다. 고용화 열처리 후의 소정 온도에서의 유지 및 수냉은 상기한 「전구 처리」에 상당하는 것이다. 상기의 솔트 배쓰 침지에 의한 고용화 열처리의 유지 온도에서부터 800℃까지의 평균 냉각 속도는 15℃/초 이상이 된다. 또한, 상기의 수냉에 의한 600 내지 300℃의 평균 냉각 속도는 50℃/초 이상이 된다.

상기의 열이력을 부여한 판재에 대해 시효 처리를 실시하였다. 일부의 예를 제외하고 합금 조성에 따라 상기 식 (2)를 만족시키도록 온도, 시간을 설정하였다. 시효 처리 후, 표 2에 기재하는 압연율로 마무리 냉간 압연을 실시하여 판 두께 0.15mm로 하고, 그 후 400℃×1분의 저온 소둔을 실시하여 구리 합금 판재(공시재)를 수득하였다. 표 2 중에 제조 조건을 기재한다.

공시재로부터 직경 3mm의 원판을 타발하고, 트윈제트 연마법으로 TEM 관찰 시료를 제작하고, TEM으로 가속 전압 200kV로 배율 10만배의 무작위로 선택한 10시야에 관해서 사진을 촬영하고, 그 사진 위에서 입자 직경 5 내지 10nm의 미세 제2상 입자의 수를 카운트하고, 그 합계수를 관찰 영역의 총 면적으로 나눔으로써 미세 제2상 입자의 개수 밀도(개/mm²)를 구하였다. 입자의 입자 직경은 당해 입자를 둘러싸는 최소 원의 직경으로 하였다.

상기 TEM 관찰시에 TEM에 부속된 EDS(에너지 분산형 분광 분석) 장치를 사용하여 Cu 모상의 부분에 가속 전압 200kV의 전자 빔을 조사하여, 정량 분석을 실시하였다. ESD 분석 결과로서 수득된 Cu 농도(질량%)가 100-(Cu 이외의 합금 원소의 실제 합계 질량%)을 하회하는 경우에는, 상기한 바와 같이, 당해 EDS 분석값은 제2상 입자의 영향을 받고 있다고 판단하여 채용하지 않고, 그 이외의 경우에 있어서의 10개소의 EDS 분석값을 채용하여 EDS 분석값에 있어서의 Si의 분석값(질량%)의 평균값을 산출하고, 그 값을 당해 시료의 모상 중의 Si 농도(질량%)로 하였다.

공시재로부터 채취한 시료의 압연면을 전해 연마하여 Cu 모상(매트릭스)만을 용해시킴으로써 표면에 제2상 입자가 노출된 관찰 시료를 제작하고, SEM으로 배율 3000배의 무작위로 선택한 20 시야에 관해서 사진을 촬영하고, 그 사진 위에서 입자 직경 5㎛ 이상의 조대 제2상 입자의 수를 카운트하고, 그 합계수를 관찰 영역의 총 면적으로 나눔으로써 조대 제2상 입자의 개수 밀도(개/mm²)를 구하였다. 입자의 입자 직경은 당해 입자를 둘러싸는 최소 원의 직경으로 하였다.

공시재로부터 채취한 시료의 압연면을 연마한 후 에칭한 시료에 관해서 광학 현미경 관찰을 실시하여, JIS H0501의 절단법으로 평균 결정 입자 직경을 구하였다. 쌍정 경계는 결정립계로 간주하지 않는다.

공시재의 도전율을 JIS H0505에 따라 구하였다.

공시재로부터 압연 방향(LD)의 인장 시험편(JIS Z2241의 5호 시험편)을 제작하고, 각 공시재에 관해서 시험수(n)=3으로 JIS Z2241에 따르는 인장 시험을 실시하여 0.2% 내력을 측정하고, 그 평균값을 당해 공시재의 0.2% 내력으로 하였다.

프레스 타발성을 이하의 수법으로 평가하였다. 공시재로부터 채취한 시험편에 관해서, 펀치 직경 10.00mm, 다이의 천공 직경 10.02mm의 환형 펀치를 사용하여, 약 7%의 클리어런스로 프레스 타발 시험을 실시하였다. 프레스 조건으로서 프레스 속도 1mm/min, 윤활재 없음으로 하고, 각 시료에 관해서 10회 실시하였다. 직경 10mm의 구멍이 뚫려지고 남은 재료에 관해서, 타발면에 수직이고 판 두께 방향에 평행한 단면을 광학 현미경으로 관찰함으로써「도려낸 깊이」를 측정하였다. 그 관찰 시험편은, 압연 방향에 평행한 단면을 4개소, 및 압연 방향에 수직인 단면을 4개소 각각 임의로 선택하여, 계 8개소에 관해서 측정하였다. 도 1에 시험편의 단면 형상을 모식적으로 도시한다. T는 판 두께, a는 도려낸 깊이이다. 도려낸 깊이는 8개의 관찰 시료 중, a/T 비가 7%를 초과하는 재료가 1개도 없는 재료를 ○(양호), 1개 이상 있는 재료를 ×(불량)이라고 판정하였다.

내응력완화 특성을 이하의 수법으로 평가하였다. 공시재로부터 길이 방향이 TD(압연 방향 및 판 두께 방향에 대해 수직인 방향)의 굴곡 시험편(폭 10mm)을 채취하고, 이 시험편을 길이 방향 중앙부의 표면 응력이 0.2% 내력의 80%가 되도록 아치 굴곡진 상태로 고정시켰다. 또한, 시험편의 탄성 계수를 E(MPa), 두께를 t(mm), 휘어짐 높이를 δ(mm)로 하면, 표면 응력(MPa)은, 표면 응력=6Etδ/L₀ ²에 의해 정해진다. 이와 같이 아치 굴곡진 상태의 시험편을 대기중 150℃의 온도에서 1000시간 유지한 후, 그 시험편의 굴곡흔으로부터 응력 완화율을 산출하였다. 이 응력 완화율이 5.0% 이하인 것은 자동차 부품 등의 고온 환경에서의 사용을 전제로 한 용도에 있어서 양호한 내응력완화 특성을 갖는 것으로 판단된다. 또한, 응력 완화율은, 아치 굴곡진 상태로 고정된 시험편의 단부 간의 수평 거리를 L₀(mm), 아치 굴곡 전의 시험편의 길이를 L₁(mm), 아치 굴곡지게 하여 가열한 후의 시험편의 단부간의 수평 거리를 L₂(mm)로 하면, 응력 완화율(%) = {(L₁-L₂)/(L₁-L₀)}×100으로부터 산출된다.

이들 결과를 표 3에 기재한다.

본 발명예의 것은, 미세 제2상 입자에 의한 석출 경화와, 모상 중에 잔존시킨 Si에 의한 가공 경화능의 향상에 의해, 0.2% 내력이 980MPa 이상 또는, 또한 1000MPa 이상이라고 하는 매우 높은 강도 레벨이 수득되었다. 이들은 어느 것이나 도전성, 프레스 타발성, 내응력완화 특성에 관해서도 양호하였다.

이에 반해, No. 31은 주편 가열 유지 온도가 낮았기 때문에 조대 제2상 입자의 잔존량이 많아, 프레스 타발성이 떨어졌다. 또한, 미세 제2상 입자의 생성량을 충분히 확보할 수 없어, 강도도 낮았다.

No. 32는 고용화 후에 600 내지 800℃로 유지하는 열이력을 받고 있지 않기 때문에 미세 제2상 입자의 석출이 불충분해져, 강도 및 도전성이 떨어졌다.

No. 33은 Zr, S 함유량이 많기 때문에 주조시에 조대한 정출물이 많이 발생하고, 그것을 시효 처리 전의 공정에서 충분히 고용화할 수 없어, 조대 제2상 입자의 잔존량이 많아지는 동시에 미세 제2상 입자의 생성량도 불충분해졌다. 이로 인해 프레스 타발성이 떨어지고, 강도도 낮았다.

No. 34는 시효 처리 온도가 높기 때문에 미세 제2상 입자의 양이 적어져, 강도가 낮았다. 또한 모상 중 Si 농도도 낮았기 때문에 미세 제2상 입자의 양이 동등한 비교예 No. 32와 비교해도 강도 및 내응력완화 특성이 떨어졌다.

No. 35는 주편 가열 유지의 시간이 짧았기 때문에 조대 제2상 입자가 많은 조직이 되어, 프레스 성형성이 떨어졌다. 또한 미세 제2상 입자의 석출도 불충분해지고 강도도 낮았다.

No. 36은 주편 가열 유지 온도가 높았기 때문에 열간 압연에서 균열이 발생하고, 그 후의 공정으로 진행되지 않았다.

No. 37은 고용화 열처리 온도가 낮았기 때문에 시효 처리에서 미세 제2상 입자가 충분히 석출되지 않았다. 이로 인해 강도가 낮고, 내응력완화 특성도 떨어졌다.

No. 38은 Ni와 Co의 합계 함유량이 많기 때문에 시효 처리 전의 공정에서 조대한 제2상 입자를 충분히 고용화시킬 수 없어, 고강도화 및 프레스 가공성 개선이 불충분해졌다.

No. 39는 Cr, Nb, Hf의 함유량이 많기 때문에 주조시에 조대한 정출물이 다량으로 생성되어, 시효 처리에서 미세 제2상 입자를 충분히 석출시킬 수 없고, 또한 모상 중 Si 농도도 낮았다. 이로 인해, 미세 제2상 입자의 개수 밀도가 동등한 비교예 33, 35, 38과 비교해도 강도, 내응력완화 특성이 떨어졌다.

No. 40은 Si 함유량이 적기 때문에 미세 제2상 입자의 생성이 불충분해지고, 강도가 낮았다.

No. 41은 Sn의 함유량이 많기 때문에 도전율이 낮았다.

No. 42는 Co, Si의 함유량이 많기 때문에 조대 제2상 입자가 많아져, 미세 제2상 입자의 양을 충분히 확보할 수 없었다. 이로 인해 강도 및 프레스 타발성이 떨어졌다.

No. 43은 미세 제2상 입자의 석출량은 적정하지만, 모상 중 Si 농도가 낮기 때문에 가공 경화에 의한 강도 상승이 불충분해져 강도 레벨이 낮았다.

Claims (6)

1. 질량%로, Ni와 Co의 합계: 2.50 내지 4.00%, Co: 0.50 내지 2.00%, Si: 0.70 내지 1.50%, Fe: 0 내지 0.50%, Mg: 0 내지 0.10%, Sn: 0 내지 0.50%, Zn: 0 내지 0.15%, B: 0 내지 0.07%, P: 0 내지 0.10%, REM(희토류 원소): 0 내지 0.10%이고, Cr, Zr, Hf, Nb, S의 합계 함유량이 0 내지 0.01%이고, 잔부 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 조성을 가지며, 모상(母相) 중에 존재하는 제2상 입자 중, 입자 직경 5㎛ 이상의「조대(粗大) 제2상 입자」의 개수 밀도가 10개/mm² 이하, 입자 직경 5 내지 10nm의「미세 제2상 입자」의 개수 밀도가 1.0×10⁹개/mm²개 이상이고, 모상 중의 Si 농도가 0.10질량% 이상인, 구리 합금 판재.
2. 제1항에 있어서, 압연 방향의 0.2% 내력이 980MPa 이상, 도전율이 30% IACS 이상인, 구리 합금 판재.
3. 질량%로, Ni와 Co의 합계: 2.50 내지 4.00%, Co: 0.50 내지 2.00%, Si: 0.70 내지 1.50%, Fe: 0 내지 0.50%, Mg: 0 내지 0.10%, Sn: 0 내지 0.50%, Zn: 0 내지 0.15%, B: 0 내지 0.07%, P: 0 내지 0.10%, REM(희토류 원소): 0 내지 0.10%이고, Cr, Zr, Hf, Nb, S의 합계 함유량이 0 내지 0.01%이고, 잔부 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 조성을 갖는 구리 합금의 주편(鑄片)에 대해, 1000 내지 1060℃에서 2시간 이상의 가열 유지를 실시한 후에 열간 압연을 실시하는 공정,
   상기 열간 압연 후의 판재에 냉간 압연을 실시하는 공정,
   상기 냉간 압연 후의 판재에 900 내지 1020℃에서의 고용화(固溶化) 열처리를 실시하는 공정,
   상기 고용화 열처리 후의 판재에, 재료 온도가 600 내지 800℃의 범위에 있는 시간을 5 내지 300초 확보한 후 600℃로부터 300℃까지의 평균 냉각 속도가 50℃/초 이상이 되도록 급냉하는 열이력을 부여하는 공정,
   상기 열이력을 부여한 판재에 대해, 300 내지 400℃에서의 시효 처리를 실시함으로써, 입자 직경 5 내지 10nm의「미세 제2상 입자」의 개수 밀도가 1.0×10⁹개/mm²개 이상이고 또한 모상 중의 Si 농도가 0.10질량% 이상인 금속 조직으로 하는 공정
   을 갖는, 구리 합금 판재의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 시효 처리 후에, 압연율 20 내지 80%의 마무리 냉간 압연을 실시하는, 구리 합금 판재의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 마무리 냉간 압연 후에 300 내지 600℃에서 저온 소둔을 실시하는, 구리 합금 판재의 제조 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 기재된 구리 합금 판재를 프레스 타발(打拔)하여 수득한 부재(部材)를 사용하여 제작된 커넥터, 리드 프레임, 릴레이 및 스위치 중 어느 하나인 통전(通電) 부품.

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