KR20140045920A

KR20140045920A - Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20140045920A
Application number: KR1020137023467A
Authority: KR
Inventors: 타케시 사쿠라이; 요시오 아베; 나오타케 히라노
Original assignee: 미츠비시 신도 가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2014-04-17
Also published as: CN103380221A; JP2012172168A; US20130319584A1; EP2677050B1; CN103380221B; WO2012111567A1; EP2677050A1; JP5060625B2; EP2677050A4; TW201247906A; KR101838550B1; US9644251B2; TWI431128B

Abstract

충분한 기계적 강도를 유지하면서 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이룬 Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법을 제공한다. 질량%로 Zr을 0.05~0.2% 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금으로서, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 KAM의 평균치가 1.5~1.8°이고, W굽힘시험으로, 균열이 발생하지 않는 최소 굽힘 반경을 R, 판두께를 t로 하면, R/t가 0.1~0.6이며, 탄성 한계치가 420~520N/㎟인 것을 특징으로 한다.

Description

Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법{Cu-Zr-BASED COPPER ALLOY PLATE AND PROCESS FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 상세하게는 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이룬 전기 및 전자부품용 Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본원은, 2011년 2월 18일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2011-033097호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 커넥터, 릴레이, 스위치 등의 전기·전자부품의 더 한층의 소형화에 따라, 그 내부에 조립되어 있는 접점부재나 슬라이딩부재 등에 흐르게 되는 전류밀도가 점점 높아지고 있어, 종래보다 더욱 도전성이 양호한 재료로의 요구가 높아지고 있다. 특히, 차재용 전자부품에 있어서는 보다 고온 및 진동의 환경하에서 장기간에 걸쳐 확실히 견디는 것이 요구되고 있으며, 뛰어난 내응력 완화성도 요망되고 있다.

이와 같은 요구에 대응 가능한 재료로서, Cu-Zr계의 합금은, 80%IACS를 넘는 높은 도전율을 가질 수 있어, 내열성도 좋고, 내응력 완화성도 뛰어나지만, 충분한 강도를 확보하면서, 굽힘가공성을 유지하는 것이 과제이며, 뛰어난 탄성 한계 특성도 요구된다.

이들의 과제를 해결하는 Cu-Zr계 구리합금으로서, 특허문헌 1에서는 중량비율로 Zr을 0.005%~0.5%, B를 0.2ppm~400ppm의 범위에서 함유하는 구리합금으로서, 복수의 편평한 결정립이 면방향으로 연속하여 이루어지는 결정립층이 판두께 방향으로 적층되어 구성된 층형상 조직을 가지고, 결정립층의 두께가 20㎚~550㎚의 범위이며, 층형상 조직 중 결정립층의 두께의 히스토그램에 있어서의 피크치(P)가 50㎚~300㎚의 범위 내이고, 또한, 총 도수의 22% 이상의 빈도로 존재하며, 그 반값 폭(L)이 200㎚ 이하가 되는 강도와 신장을 고레벨에서 균형맞춘 구리합금을 개시하고 있다.

특허문헌 2에서는, 중량 비율로 Zr을 0.005%~0.5%, Co를 0.001%~0.3%의 범위에서 함유하는 구리합금으로서, 복수의 편평한 결정립이 면방향으로 연속하여 이루어지는 결정립층이 판두께방향으로 적층되어 구성된 층형상 조직을 가지고, 결정립층의 두께가 5㎚~550㎚의 범위이며, 층형상 조직 중 결정립층의 두께의 히스토그램에 있어서의 피크치(P)가 50㎚~300㎚의 범위 내이고, 또한, 총 도수의 28% 이상의 빈도로 존재하며, 그 반값 폭(L)이 180㎚ 이하가 되는 강도와 신장을 고레벨에서 균형맞춘 구리합금을 개시하고 있다.

특허문헌 3에서는 0.01질량% 이상 0.5질량% 이하의 지르코늄(Zr)을 함유하며, 잔부가 구리(Cu) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금을 압연 가공하여 이루어지는 전기·전자부품용 구리합금재로서, 당해 전기·전자부품용 구리합금재의 집합 조직에 있어서의, Brass방위의 방위 분포 밀도가 20 이하이고, 또한 Brass방위와 S방위와 Copper방위와의 방위 분포 밀도의 합계가 10 이상 50 이하가 되는 기계적 강도와 양호한 굽힘가공성을 겸비한 전기·전자부품용 구리합금재를 개시하고 있다.

일본특허공개공보 2010-215935호 일본특허공개공보 2010-222624호 일본특허공개공보 2010-242177호

종래의 전기 및 전자부품용 Cu-Zr계 구리합금은, 충분한 기계적 강도와 양호한 굽힘가공성(신장성)을 겸비하고 있지만, 탄성 한계 특성은 충분하다고는 할 수 없었다.

본 발명에서는, 충분한 기계적 강도를 유지하면서, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이룬 전기 및 전자부품용 Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 예의검토한 결과, 질량%로 Zr을 0.05~0.2% 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금에 있어서, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 인접 측정점간의 미스오리엔테이션인 KAM(Kernel Average Misorientation)의 평균치가 1.5~1.8°이면, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 유지할 수 있는 것을 발견했다.

또, 본 발명자들은, 동일 출원인의 일본특허공개공보 2010-215935호, 일본특허공개공보 2010-222624호의 제조방법을 더욱 검토하여, 소정 성분에 용해·주조된 Cu-Zr계 구리합금 모재에 대하여, 930~1030℃에서 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 수냉에 의한 급냉 처리로 용체화 처리를 실시한 후에 냉간 압연을 실시하며, 다음으로 320~460℃에서 2~8시간의 시효 처리를 실시하고, 다음으로 500~750℃에서 10~40초간의 열처리를 실시함으로써, 열처리 후의 표면의 비커스 경도를 시효 처리 후의 표면의 비커스 경도보다 3~20Hv 저하시키면, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 KAM의 평균치가 1.5~1.8°가 되어, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이루고, 또한, 충분한 기계적 강도도 유지할 수 있는 것을 발견했다.

즉, 본 발명의 구리합금판은 질량%로 Zr을 0.05~0.2% 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금으로서, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 KAM의 평균치가 1.5~1.8°이고, W굽힘시험에서, 균열이 발생하지 않는 최소 굽힘 반경을 R, 판두께를 t로 하면, R/t가 0.1~0.6이며, 탄성 한계치가 420~520N/㎟인 것을 특징으로 한다.

KAM의 평균치가 1.5° 미만이면, 탄성 한계치가 저하되어, 인장 강도의 저하를 초래하고, 평균치가 1.8°를 넘으면, 굽힘가공성이 저하되어, 탄성 한계치도 저하된다.

또한, 본 발명의 구리합금판은, 질량%로 B를 0.2~400ppm, 혹은, Co를 0.001%~0.3% 함유하여도 된다.

이들 원소의 첨가에 의하여, 결정 조직이 균일하고 치밀해져 안정되는 효과가 있어, 적절한 신도(연성)를 부여한다. 각 원소의 첨가량이 하한치 미만이면 안정 효과가 부족하고, 상한치를 넘으면, 연성이 현저하게 커져 인장 강도의 저하를 초래한다.

또한, 본 발명의 구리합금판의 제조방법은 본 발명의 구리합금 모재에 대하여, 930~1030℃에서 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 수냉에 의한 급냉 처리로 용체화 처리를 실시한 후에, 냉간 압연을 실시하며, 다음으로 320~460℃에서 2~8시간의 시효 처리를 실시하고, 다음으로 500~750℃에서 10~40초간의 열처리를 실시함으로써, 상기 열처리 후의 구리합금판의 표면의 비커스 경도를, 상기 시효 처리 후의 구리합금판의 표면의 비커스 경도보다 3~20Hv 저하시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구리합금 모재에 대하여, 930~1030℃에서 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 수냉에 의한 급냉 처리에 의한 용체화 처리를 실시하며, 바람직하게는, 제품 판두께까지 냉간 압연을 실시함으로써, Zr이 과포화 상태로 고용되고, 각 결정립층의 두께가 균일화된 구리합금판이 제조된다.

이 냉간 압연 후의 구리합금판에, 320~460℃에서 2~8시간의 시효 처리를 실시하고, 과포화 상태로 고용되어 있던 Zr을 시효 처리에 의하여 서서히 석출시켜, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 KAM의 평균치를 1.5~1.8°의 범위 내에 들어가게 하는 기재를 제작한다.

처리 온도가 320℃ 미만이면, 인장 강도에 악영향을 미치고, 460℃를 넘으면, 굽힘가공성에 악영향을 미친다. 처리 시간이 2시간 미만이면 효과는 없고, 8시간을 넘으면, 재결정화가 발생하므로 바람직하지 않다.

다음으로, 이 시효 처리 후의 구리합금판에, 500~750℃에서 10~40초간의 열처리를 실시함으로써, 열처리 후의 표면의 비커스 경도를, 시효 처리 후의 표면의 비커스 경도보다 3~20Hv 저하시켜, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 KAM의 평균치를 1.5~1.8°의 범위 내에 들어가게 한다.

이로써, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이뤄, 충분한 기계적 강도를 유지하는 것이 가능해진다.

처리 온도와 처리 시간이 500℃ 미만, 혹은, 10초 미만이면, 비커스 경도의 저하가 3Hv 미만이 되고, 처리 온도와 처리 시간이 750℃를 넘거나, 혹은, 40초를 넘으면, 비커스 경도의 저하가 20Hv를 넘는다.

또, 열처리 후는 Zr을 과포화 상태로 고용하여, 치밀한 결정 조직을 얻기 위해서도, 수냉에 의하여 급냉하는 것이 바람직하다.

[발명의 효과]

본 발명에서는, 충분한 기계적 강도를 유지하면서, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이룬 전기 및 전자부품용 Cu-Zr계 구리합금판 및 그 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명한다.

[구리합금판의 합금조성]

본 발명의 구리합금판은 질량%로 Zr을 0.05~0.2%를 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 조성을 가진다.

Zr(지르코늄)은, 구리와의 화합물을 형성하여 모상(母相) 중에 석출되어, 그 전체적인 재료 강도를 향상시킴과 함께 내열성을 향상시키는 효과를 가지는 합금 원소이다. Zr의 함유량은 형성되는 석출 입자의 양이나 크기에 영향을 주어, 도전율과 강도와의 균형을 변화시키지만, 상기의 범위 내의 농도로 함유시킴으로써, 도전율과 강도를 함께 높은 차원에서 균형맞춘, 양호한 특성이 실현되게 된다.

Zr의 함유량이, 0.05질량% 미만이면, Cu-Zr의 석출물이 부족하기 때문에, 시효 경화가 불충분하게 됨과 함께 내응력 완화성도 충분한 특성을 얻는 것이 곤란해진다. 0.2질량%를 넘으면, Cu-Zr 석출물의 형상이 조대해지기 쉬워져, 강도 향상의 효과를 얻을 수 없어, 굽힘가공성 저하의 중대한 원인이 되기도 한다.

[구리합금판의 합금조직]

본 발명의 Cu-Zr계 구리합금판은, 합금조성 중 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 인접 측정점간의 미스오리엔테이션인 KAM(Kernel Average Misorientation)의 평균치가 1.5~1.8°이며, 굽힘가공성(후술의 W굽힘시험에서, 균열이 발생하지 않은 최소 굽힘 반경을 R, 판두께를 t로 했을 때의, R/t)이 0.1~0.6이고, 탄성 한계치가 420~520N/㎟이며, 충분한 기계적 강도를 유지하면서, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이루고 있다.

[EBSD법에 의한 KAM의 측정]

EBSD법에 의한 KAM의 측정은 다음과 같이 실시하였다.

10㎜×10㎜의 시료를 기계 연마, 버프 연마 후, 히타치 하이테크놀로지사(Hitachi High-Technologies Corporation)제 이온밀링장치로 가속 전압 6kV, 입사각 10°, 조사 시간 15분으로 하여 표면을 조정하고, 히타치 하이테크놀로지사제 SEM(시리얼 넘버 "S-3400N")과, TSL사제의 EBSD 측정·해석 시스템 OIM(Orientation Imaging Micrograph)을 이용하여, 측정 영역을 육각형의 영역(픽셀)으로 구획하고, 구획된 각 영역에 대하여, 시료 표면에 입사시킨 전자선의 반사 전자로부터 키쿠치패턴(Kikuchi Pattern)을 얻어 픽셀의 방위를 측정하였다. 측정한 방위 데이터를 동일 시스템의 해석 소프트(소프트명 "OIM Analysis")를 이용하여 해석하여, 각종 파라미터를 산출하였다. 관찰 조건은, 가속 전압 25kV, 측정 면적은 300㎛×300㎛로 하고, 인접하는 픽셀간의 거리(스텝 사이즈)는 0.5㎛로 하였다. 인접하는 픽셀간의 방위차가 5° 이상을 결정립계로 간주하였다.

KAM은 결정립 내의 어느 픽셀과, 결정립계를 넘지 않는 범위에 존재하는 인접 픽셀과의 방위차의 평균치를 계산하고, 측정 전체 면적을 구성하는 전체 픽셀에 있어서의 평균치로서 산출했다.

KAM의 평균치가 1.5 미만이면, 탄성 한계치가 저하되어, 인장 강도의 저하를 초래하고, 평균치가 1.8°를 넘으면, 굽힘가공성이 저하되어, 탄성 한계치도 저하된다.

[구리합금판 제조방법]

본 발명의 구리합금판의 제조방법은 본 발명의 합금조성, 합금조직의 구리합금 모재에 대하여, 930~1030℃에서 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 수냉에 의한 급냉 처리로 용체화 처리를 실시한 후에, 냉간 압연을 실시하며, 다음으로 320~460℃에서 2~8시간의 시효 처리를 실시하고, 다음으로 500~750℃에서 10~40초간의 열처리를 실시함으로써, 열처리 후의 구리합금판의 표면의 비커스 경도를, 시효 처리 후의 구리합금판의 표면의 비커스 경도보다 3~20Hv 저하시키는 방법이다.

본 발명의 구리합금 모재에 대하여, 930~1030℃에서 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 수냉에 의한 급냉 처리에 의한 용체화 처리를 실시하며, 바람직하게는 제품 판두께까지 냉간 압연을 실시함으로써, Zr이 과포화 상태로 고용되고, 각 결정립층의 두께가 균일화된 구리합금판이 제조된다.

이로써, 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이루고, 충분한 기계적 강도를 유지하는 것이 가능해진다.

또, 열처리 후는, Zr을 과포화 상태로 고용하여, 치밀한 결정 조직을 얻기 위해서도, 수냉에 의하여 급냉하는 것이 바람직하다.

실시예

표 1에 나타내는 조성의 용해·주조로 얻어진 구리합금 모재를, 표 1에 나타내는 온도로 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 40℃/초의 속도로 급수냉하여 용체화 처리를 실시하며, 다음으로, 면삭, 조압연, 연마를 실시하여, 소정 두께의 구리합금판을 제작하였다.

다음으로, 이들 구리합금판을 표 1에 나타내는 압연율로 냉간 압연을 실시하고, 판두께를 제품두께인 0.5㎜로 하며, 표 1에 나타내는 온도 및 시간으로 시효 처리 및 열처리를 실시하고, 50℃/초의 속도로 급수냉을 실시하여, 실시예 1~10, 비교예 1~6에 나타내는 구리합금 박판을 제작하였다.

각 시료의 시효 처리 후 및 열처리 후의 표면의 비커스 경도, KAM을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

비커스 경도는, JIS-Z2244에 근거하여 측정하였다.

KAM의 측정은, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로, 다음과 같이 실시하였다.

10㎜×10㎜의 시료를 기계 연마, 버프 연마 후, 히타치 하이테크놀로지사제 이온밀링장치로 가속 전압 6kV, 입사각 10°, 조사 시간 15분으로 하여 표면을 조정하고, 히타치 하이테크놀로지사제 SEM(시리얼 넘버 "S-3400N")과, TSL사제의 EBSD 측정·해석 시스템 OIM(Orientation Imaging Micrograph)을 이용하여. 측정 영역을 육각형의 영역(픽셀)으로 구획하고, 구획된 각 영역에 대하여, 시료 표면에 입사시킨 전자선의 반사 전자로부터 키쿠치패턴을 얻어 픽셀의 방위를 측정하였다. 측정한 방위 데이터를 동일 시스템의 해석 소프트(소프트명 "OIM Analysis")를 이용하여 해석하여, 각종 파라미터를 산출하였다. 관찰 조건은, 가속 전압 25kV, 측정 면적은 300㎛×300㎛로 하고, 인접하는 픽셀간의 거리(스텝 사이즈)는 0.5㎛로 하였다. 인접하는 픽셀간의 방위차가 5° 이상을 결정립계로 간주하였다.

KAM은 결정립 내의 어느 픽셀과, 결정립계를 넘지 않는 범위에 존재하는 인접 픽셀과의 방위차의 평균치를 계산하여, 측정 전체 면적을 구성하는 전체 픽셀에 있어서의 평균치로서 산출하였다.

다음으로, 각 구리합금 박판에 대하여, 인장 강도, 도전율, 굽힘가공성, 탄성 한계치를 측정하였다. 이들 결과를 표 2에 나타낸다.

인장 강도는, JIS5호 시험편으로 측정하였다.

도전율은, JIS H0505에 근거하여 측정하였다.

굽힘가공성은, JIS H3100에 근거하여 W굽힘시험을 행하였다. 굽힘축을 압연 평행 방향(Bad Way 방향)으로 취하여, 시료 표면에 균열이 발생하지 않은 최소 굽힘 반경(R)(단위:㎜)을 측정하고, 판두께(t)(단위:㎜)와의 비율(R/t)의 값으로 평가하였다.

탄성 한계치는, JIS H3130에 근거하여, 모멘트식 시험에 의하여 영구 변형량을 측정하고, R.T.에 있어서의 Kb0.1(영구 변형량 0.1㎜에 대응하는 고정단에 있어서의 표면 최대 응력치)을 산출하였다.

이들 결과로부터, 본 발명의 Cu-Zr계 구리합금판은, 충분한 기계적 강도를 유지하면서 굽힘가공성과 탄성 한계치가 고레벨에서 균형을 이루고 있어, 전기 및 전자부품에 대한 적용에 특별히 적합한 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태의 제조방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이 기재에 한정되는 일 없이, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변경을 추가하는 것이 가능하다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명의 Cu-Zr계 구리합금판은, 고온 및 고진동의 까다로운 사용 환경 하에 장시간 노출되는 커넥터 등의 전기·전자부품에 적용할 수 있다.

Claims

질량%로 Zr을 0.05~0.2% 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리합금으로서, 후방 산란전자 회절상 시스템이 탑재된 주사형 전자 현미경에 의한 EBSD법으로 측정한 KAM의 평균치가 1.5~1.8°이며, W굽힘시험으로, 균열이 발생하지 않은 최소 굽힘 반경을 R, 판두께를 t로 하면, R/t가 0.1~0.6이고, 탄성 한계치가 420~520N/㎟인 것을 특징으로 하는 구리합금판.
제 1 항에 있어서,
질량%로 B를 0.2~400ppm, 혹은, Co를 0.001%~0.3% 함유하는 것을 특징으로 하는 구리합금판.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 구리합금판의 제조방법으로서,
구리합금 모재에 대하여, 930~1030℃에서 열간 압연을 개시하고, 600℃ 이상의 온도역으로부터 수냉에 의한 급냉 처리로 용체화 처리를 실시한 후에, 냉간 압연을 실시하며, 다음으로 320~460℃에서 2~8시간의 시효 처리를 실시하고, 다음으로 500~750℃에서 10~40초간의 열처리를 실시함으로써, 상기 열처리 후의 구리합금판의 표면의 비커스 경도를, 상기 시효 처리 후의 구리합금판의 표면의 비커스 경도보다 3~20Hv 저하시키는 것을 특징으로 하는 구리합금판의 제조방법.