TW201343938A

TW201343938A - 銅－鎳－矽系銅合金

Info

Publication number: TW201343938A
Application number: TW102105971A
Authority: TW
Inventors: Hiroshi Kuwagaki
Original assignee: Jx Nippon Mining & Metals Corp
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-11-01
Also published as: KR20140146123A; KR101638272B1; US9859031B2; WO2013161351A1; US20150110668A1; CN104271784A; TWI450987B; JP2013227600A; CN104271784B; JP6126791B2

Abstract

本發明提供一種強度、導電率及彎曲變形係數均優異之銅-鎳-矽系銅合金。本發明之銅-鎳-矽系銅合金以質量%計含有Ni：1.2~4.5%、Si：0.25~1.0%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質構成，且於將來自壓延面中之{111}面之X射線繞射強度設為I{111}，將純銅粉末標準試樣中之{111}面之X射線繞射強度設為I0{111}時，I{111}/I0{111}為0.15以上，於將來自壓延面中之{200}面之X射線繞射強度設為I{200}，將純銅粉末標準試樣中之{200}面之X射線繞射強度設為I0{200}時，I{200}/I0{200}為0.5以下，於將來自壓延面中之{220}面之X射線繞射強度設為I{220}，將來自{311}面之X射線繞射強度設為I{311}時，I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})為0.2以上，壓延直角方向之彎曲變形係數為130 GPa以上，壓延直角方向之降伏強度YS(Yield Strength)滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)2+215×(Ni質量%)+422，壓延直角方向之導電率為30%IACS以上。

Description

銅-鎳-矽系銅合金

本發明係關於一種適於例如連接器、端子、繼電器、開關等導電性彈性材料之銅-鎳-矽系銅合金。

先前以來，作為端子或連接器之材料，一直使用作為固溶強化型合金之黃銅或磷青銅。然而，隨著電子機器之輕量化及小型化，端子或連接器厚度變薄、小型化，對使用於其等之材料期望高強度及高彎曲性。進而，於汽車之發動機室附近等高溫環境中所使用之連接器中，由應力緩和現象引起連接器接觸壓力降低，故而要求耐應力緩和性良好之材料。由此，開發有藉由析出強化而具有高強度、高導電性之銅-鎳-錫系銅合金(卡遜銅合金)(專利文獻1)。

專利文獻1：國際公開第WO2011/068134號(段落0004、0051、表2)

然而，於連接器所使用之材料，藉由彈性以較小之位移便會產生較大之荷重(接觸壓力)，故期望高彎曲變形係數。另一方面，為了降低連接器之製造成本，專利文獻1所記載之銅-鎳-錫系銅合金強制地將楊氏模數(相當於彎曲變形係數)降低至110 GPa以下，無法實現彎曲變形係數之提高。又，於專利文獻1中，作為比較例2-2，記載有彎曲變形係數(楊氏模數)超過130 GPa之例(專利文獻1之表2)，但其強度(0.2%耐力)較低。可認為其原因在於固溶處理以後之冷軋之總加工度低為50%以下(專利文獻1之段落0051)。

本發明係為了解決上述問題而完成者，目的在於提供一種強度、導電率及彎曲變形係數均優異之銅-鎳-錫系銅合金。

本發明者對製造條件進行研究，藉由提高作為使彎曲變形係數提昇之方位之{111}面之積體度，並降低作為使彎曲變形係數降低之方位之{200}面之積體度，而成功地一併提高了強度、導電率及彎曲變形係數。

為了達成上述目的，本發明之銅-鎳-矽系銅合金以質量%計含有Ni：1.2~4.5%、Si：0.25~1.0%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質構成，且於將來自壓延面中之{111}面之X射線繞射強度設為I{111}，將純銅粉末標準試樣中之{111}面之X射線繞射強度設為I₀{111}時，I{111}/I₀{111}為0.15以上，於將來自壓延面中之{200}面之X射線繞射強度設為I{200}，將純銅粉末標準試樣中之{200}面之X射線繞射強度設為I₀{200}時，I{200}/I₀{200}為0.5以下，於將來自壓延面中之{220}面之X射線繞射強度設為I{220}，將來自{311}面之X射線繞射強度設為I{311}時，I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})為0.2以上，壓延直角方向之彎曲變形係數為130 GPa以上，壓延直角方向之降伏強度YS滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，壓延直角方向之導電率為30%IACS以上。

結晶粒徑較佳為20~100 μm。

較佳為進而含有以總量計0.005~2.5質量%之選自Mg、Mn、Sn、Zn、Co及Cr之群中之至少1種以上，或進而含有以總量計0.005~1.0質量%之選自P、B、Ti、Zr、Al、Fe及Ag之群中之至少1種以上。

根據本發明，可獲得一種強度、導電率及彎曲變形係數均優異之銅-鎳-矽系銅合金。

以下，對本發明之實施形態之銅-鎳-錫系銅合金進行說明。再者，本發明中所謂%，只要未作特別說明，則表示質量%。

(組成)

[Ni及Si]

將銅合金中之Ni濃度設為1.2~4.5%，將Si濃度設為0.25~1.0%。Ni及Si藉由實施適當之熱處理而形成金屬間化合物，不使導電率劣化而提昇強度。

若Ni及Si之含量未達上述範圍，則無法獲得強度之提昇效果，若超過上述範圍，則導電性降低，且熱加工性降低。

[其他添加元素]

亦可於合金中進而含有以總量計0.005~2.5質量%之選自Mg、Mn、Sn、Zn、Co及Cr之群中之至少1種以上。

Mg提高強度及耐應力緩和特性。Mn提高強度及熱加工性。Sn提高強度。Zn提高焊接部之耐熱性。由於Co及Cr與Ni同樣地與Si形成化合物，故而藉由析出硬化不使導電率劣化而提高強度。

又，亦可於合金中進而含有以總量計0.005~1.0質量%之選自P、B、Ti、Zr、Al、Fe及Ag之群中之至少1種以上。若含有該等元素，則導電率、強度、應力緩和特性、鍍敷性等製品特性得到改善。

再者，若上述各元素之總量未達上述範圍，則無法獲得上述效果，若超過上述範圍，則有導致導電率降低之情形。

[X射線繞射強度]

將來自壓延面中之{111}面之X射線繞射強度設為I{111}，將純銅粉末標準試樣中之{111}面之X射線繞射強度設為I₀{111}時，I{111}/I₀{111}為0.15以上，將來自壓延面中之{200}面之X射線繞射強度設為I{200}，將純銅粉末標準試樣中之{200}面之X射線繞射強度設為I₀{200}時，I{200}/I₀{200}為0.5以下，且將來自壓延面中之{220}面之X射線繞射強度設為I{220}，將來自{311}面之X射線繞射強度設為I{311}時，I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})為0.2以上。

I{111}/I₀{111}反映{111}面之積體度，I{200}/I₀{200}反映{200}面之積體度，若I{111}/I₀{111}未達0.15，則作為使彎曲變形係數提昇之方位之{111}面之積體度變低，又，若I{200}/I₀{200}超過0.5，則作為使彎曲變形係數降低之方位之{200}面之積體度變高，故而彎曲變形係數不提高。

又，若I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})未達0.2，則作為使彎曲變形係數提昇之方位之{111}面之積體度變低，故而彎曲變形係數不提高。再者，(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})為壓延面之主要方位，I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})大致反映{111}面之積體度。

[彎曲變形係數、強度及導電率]

壓延直角方向之彎曲變形係數為130 GPa以上，壓延直角方向之降伏強度YS滿足下式：Ys≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，且壓延直角方向之導電率為30%IACS以上。

彎曲變形係數係依據日本伸銅協會技術標準(JCBAT(Japan Copper & Brass Association Technology)312：2002)進行測定，降伏強度YS係依據JIS(Japanese Industrial Standards，日本工業標準)-Z2241進行測定，且依據JIS-H0505藉由4端子法測定導電率(%IACS)。再者，作為類似於彎曲變形係數之指標有楊氏模數，但楊氏模數係使用拉伸試驗中所獲得之值，與此相對，彎曲變形係數係於不超過彈性極限之範圍內對懸臂樑施加荷重，根據其彎曲量而算出之值。因此，可認為彎曲變形係數更反映連接器用彈簧接觸部之接觸壓力，故而本發明係使用彎曲變形係數。

[結晶粒徑]

較佳為將合金之結晶粒徑設為20~100 μm。於結晶粒徑未達20 μm之情形時，{111}面之積體度不會變高，故而會有彎曲變形係數不提高之情況。若結晶粒徑超過100 μm，則會有由於粒徑之粗大化而強度降低之情況。

再者，結晶粒徑係基於JIS-H0501之切割法進行測定。

本發明之銅-鎳-錫系銅合金通常可於對鑄錠進行熱軋及平面研削後進行第1冷軋、再結晶退火、第2冷軋、固溶處理、第3冷軋、時效處理、最終冷軋而製造。亦可於最終冷軋後進行去應力退火。

再結晶退火係於650℃以上進行。若再結晶退火溫度未達650℃，則{111}面之積體度不變高，彎曲變形係數不會提高。再結晶退火溫度越高越好，但超過800℃時{111}面之積體度變高之效果飽和，導致成本增加，故而較佳為800℃以下。

第2冷軋係以超過50%之加工度進行。若加工度未達50%，則{111}面之積體度不變高，{200}面之積體度變高，故而彎曲變形係數不提高。

以800~1000℃進行固溶處理。若固溶處理溫度未達800℃，則Ni及Si未充分固溶而強度降低，並且結晶粒徑未達20 μm。若固溶處理溫度超過1000℃，則結晶粒徑會超過100 μm。

不進行第3冷軋(0%)，或以50%以下之加工度進行。若加工度超過50%，則彎曲變形係數及強度之提昇效果會飽和。

時效處理係以400~550℃進行。

最終冷軋係以30~80%之加工度進行。若加工度未達30%，則強度降低，若加工度超過80%，則彎曲變形係數及強度之提昇效果會飽和。

使固溶處理以後之冷軋(第3冷軋及最終冷軋)之總加工度超過50% 而進行。於總加工度為50%以下之情形時，{111}面之積體度不變高，彎曲變形係數不提高，並且強度亦不提高。

再者，再結晶退火具有提高彎曲變形係數之效果，並藉由進行使第3冷軋及最終冷軋之總加工度超過50%之強加工而一併提昇強度及彎曲變形係數。

實施例

於大氣熔解爐中熔解電解銅，投入特定量之表1所示之添加元素並攪拌熔態金屬。其後，於1100℃之澆鑄溫度澆鑄至鑄模中，並獲得表1所示之組成之銅合金鑄錠。對鑄錠進行平面研削後，依序進行熱軋、第1冷軋、再結晶退火、第2冷軋、固溶處理、第3冷軋、時效處理、最終冷軋，獲得板厚0.2 mm之試樣。於最終冷軋後進行去應力退火(400℃×30秒)。

再者，熱軋係以1000℃進行3小時，時效處理係以400℃~550℃進行1~15小時。將再結晶退火、第2冷軋、固溶處理、以及固溶處理以後之冷軋(第3冷軋及最終冷軋)之條件示於表1。

〈評價〉

對所獲得之試樣評價以下項目。

[平均結晶粒徑]

關於固溶處理後之試樣，對寬度20 mm×長度20 mm之樣品進行電解研磨後，利用Philips公司製造之FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope，場發射掃描式電子顯微鏡)觀察反射電子像。觀察倍率設為500倍，對5視野之圖像藉由JISH0501中所規定之切割法求出結晶粒徑並算出平均值。

[X射線繞射強度]

利用X射線繞射儀(Rigaku股份有限公司製造之RINT2500)進行各試樣之標準測定，並藉由附帶軟體分別算出來自壓延面中之{111}面、{200}面、{220}面、{311}面之X射線繞射強度之積分強度。又，對純銅粉末標準試樣(325 mesh)亦進行相同之測定，測定來自各面之X射線繞射強度。再者，作為X射線照射條件，使用Cu靶並設為管電壓25 kV、管電流20 mA。

[彎曲變形係數及降伏強度]

對各試樣於壓延直角方向進行拉伸試驗，依據JISZ2241而求出降伏強度YS。彎曲變形係數係依據日本伸銅協會技術標準(JCBAT312：2002)進行測定。

[導電率]

對各試樣依據JISH0505自藉由使用雙電橋裝置之四端子法而求出之體積電阻率算出導電率(%IACS)。

將所獲得之結果示於表1、表2。

由表1、表2可明確，於I{111}/I₀{111}為0.15以上，I{200}/I₀{200}為0.5以下，且I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})為0.2以上之各實施例之情形時，壓延直角方向之彎曲變形係數為130 GPa以上，壓延直角方向之降伏強度YS滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，壓延直角方向之導電率達到30%IACS以上。

另一方面，於Ni未達1.2%之比較例3及Si未達0.25%之比較例1之情形時，均為壓延直角方向之降伏強度YS不滿足下式：YS≧-22× (Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，降伏強度YS降低。

於Si超過1.0%之比較例2之情形時，導電率均劣化至未達30%IAGS。

於Ni超過4.5%之比較例4之情形時，於熱軋產生破裂，無法製造合金。

以總量計含有超過2.5%之Mg、Mn、Sn、Zn、Co及Cr之比較例5、6之情形，及以總量計含有超過1.0%之P、B、Ti、Zr、Al、Fe及Ag之比較例7之情形時，導電率均劣化至未達30%IACS。

於再結晶退火溫度未達650℃之比較例8之情形、及第2冷軋之加工度未達50%之比較例9之情形時，均為{111}面之積體度不變高，壓延直角方向之彎曲變形係數劣化至未達130 GPa。

於固溶處理溫度未達800℃之比較例10之情形，Ni及Si未充分固溶，壓延直角方向之降伏強度YS不滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，降伏強度YS降低。進而，結晶粒徑未達20 μm，{111}面之積體度未變高，壓延直角方向之彎曲變形係數劣化至未達130 GPa。

於固溶處理溫度超過1000℃之比較例11之情形時，壓延直角方向之降伏強度YS不滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，降伏強度YS降低。

於固溶處理以後之冷軋之總加工度為50%以下之比較例12、13之情形時，{111}面之積體度不變高，壓延直角方向之彎曲變形係數劣化至未達130 GPa。進而，壓延直角方向之降伏強度YS不滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，降伏強度YS降低。

於未進行再結晶退火及第2冷軋之比較例14之情形時，{111}面之積體度不變高，壓延直角方向之彎曲變形係數劣化至未達130 GPa。

Claims

一種銅-鎳-矽系銅合金，其以質量%計含有Ni：1.2~4.5%、Si：0.25~1.0%，其餘部分由Cu及不可避免之雜質構成，且於將來自壓延面中之{111}面之X射線繞射強度設為I{111}，將純銅粉末標準試樣中之{111}面之X射線繞射強度設為I₀{111}時，I{111}/I₀{111}為0.15以上，於將來自壓延面中之{200}面之X射線繞射強度設為I{200}，將純銅粉末標準試樣中之{200}面之X射線繞射強度設為I₀{200}時，I{200}/I₀{200}為0.5以下，於將來自壓延面中之{220}面之X射線繞射強度設為I{220}，將來自{311}面之X射線繞射強度設為I{311}時，I{111}/(I{111}+I{200}+I{220}+I{311})為0.2以上，壓延直角方向之彎曲變形係數為130 GPa以上，壓延直角方向之降伏強度YS滿足下式：YS≧-22×(Ni質量%)²+215×(Ni質量%)+422，且壓延直角方向之導電率為30%IACS以上。
如申請專利範圍第1項之銅-鎳-矽系銅合金，其結晶粒徑為20~100 μm。
如申請專利範圍第1項或第2項之銅-鎳-矽系銅合金，其進而含有以總量計0.005~2.5質量%之選自Mg、Mn、Sn、Zn、Co及Cr之群中之至少1種以上。
如申請專利範圍第1項或第2項之銅-鎳-矽系銅合金，其進而含有以總量計0.005~1.0質量%之選自P、B、Ti、Zr、Al、Fe及Ag之群中之至少1種以上。