TW201702394A - 銅合金板、以及具有銅合金板的沖壓成型品 - Google Patents

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Abstract

提供一種在銅錫(Cu-Sn)合金的銅合金板中，能夠有效抑制沖壓加工後的毛邊的發生，並改善沖壓沖製性的銅合金板，以及具有銅合金板的沖壓成型品。本發明的銅合金板，含有0.01~0.3質量%的錫(Sn)，餘量由銅及不可避免的雜質構成，具有70%IACS以上的導電率，且由剪切實驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.2□r□0.7。

Description

銅合金板、以及具有銅合金板的沖壓成型品
本發明係關於一種導電性優異的銅合金板，適用於通過沖製(沖壓加工中的一種)而形成給定形狀的端子、連接器、繼電器、開關、插座、母線、引線框架及其他電子元件等，以及具有銅合金板的沖壓成型品，特別是提出了可改善銅合金板的沖壓沖製性的技術。
組裝於電機和電子設備的端子、連接器、繼電器、開關、插座、母線、引線框架等的電子元件，係例如可利用連續沖壓模具，對朝向一個方向地間歇送入之長條狀的銅合金板，通過依次進行由沖頭與下模產生的沖壓加工而製作形成所需形狀的沖壓成型品。
其中，通過如上所述的沖壓加工成型的沖壓成型品，被沖頭沖製的沖壓成型品的沖壓斷面是由位於沖壓成型品的厚度方向的表面側的剪切面、與位於背面側的斷裂面這兩層構成的，這是公知的。
而且，由其中的剪切面佔據了沖壓斷面的大部分的沖壓成型品，易於發生剪切面向背面側突出並形成毛邊。在作為電子元件而使用的沖壓成型品中，產生毛邊時，組裝於電機和電子設備的沖壓成型品的毛邊導致短路的可能性變高，成為了故障發生的原因，特別地，在電子元件用途的沖壓成型品中，為了抑制這種毛邊的產生，要求一種改善了沖壓沖製性能的銅合金板。
作為圍繞這種電子元件用的銅合金板中沖壓沖製性 的改善、模具的耐磨性等的技術，如專利文獻1~4中所記載。
專利文獻1中記載了，用於電機和電子設備的銅-鎳-矽(Cu-Ni-Si)系銅合金板材中，特別是，通過規定分散於銅合金板材的化合物的粒徑以及其分散密度，來獲得電鍍性、沖壓性、耐熱性等特性的改善。專利文獻2中揭露了一種銅-鈷-矽(Cu-Co-Si)系銅合金，其通過使具有促進沖壓沖製性提高的粒子徑的析出物質存在於影響沖壓沖製性的表層，使具有促進強度提高的粒子徑的析出物質存在於影響強度的中間部位，可在維持強度和導電率的同時，減輕模具的磨耗。專利文獻3中記載了一種銅合金，為了在維持高強度、高導電性及耐熱性等的優異特性的同時，進一步控制由沖壓引起的模具磨損，添加給定量的鎂(Mg)、鉻(Cr)，特別地添加了給定量之具有抑制由沖壓所引起的模具磨損的鉛(Pb)。
專利文獻4中記載了在銅-鐵-磷(Cu-Fe-P)系銅合金板中，使由拉伸試驗求得的均勻伸長率和總伸長率的比，即均勻伸長率/總伸長率小於0.50。而且，由此，沖壓沖製時的材料的延性變形量變小，在早期發生沖製的斷裂，提高沖壓沖製性。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】日本專利公開第2008-95185號公報
【專利文獻2】日本專利公開第2012-224922號公報
【專利文獻3】日本專利平成公開公開第8-13066號公報
【專利文獻4】日本專利公開第2008-88499號公報
然而，上述技術中，目的是通過對析出物和夾雜物的大小、分佈的控制，以及添加元素來改善沖壓沖製性，但並沒有對由銅-錫(Cu-Sn)合金構成的銅合金板的沖壓沖製性作任何討論。由於銅-錫合金是固溶體合金，不存在上述現有技術中所關注之銅合金的這樣析出物，而且特別是在無氧銅中添加了微量錫的 銅-錫合金中，由於無氧銅基體的溶解，夾雜物也少。
因此，通過上述技術，不能有效地改善銅-錫合金的銅合金板的沖壓沖製性。
此外，如專利文獻4中，由於通過調整均勻伸長率和總伸長率的方法，可改變銅合金板的特性，但不能滿足毛邊等表面性質之其他的要求特性，因此，不能在維持所要求的特性的同時來改善沖壓沖製性。
本發明，以解決上述現有技術所面臨的這些問題為課題，其目的在於提供一種在作為固溶體合金的銅-錫合金的銅合金板中，能夠有效抑制沖壓加工後的毛邊的產生、並改善沖壓沖製性的銅合金板，以及具有銅合金板的沖壓成型品。
為了在沖壓成型品的沖壓斷面中，減少引起毛邊的產生的剪切面的比例並增加斷裂面的比例，發明人對伴隨著沖壓加工時的沖頭行程的增加，作用於銅合金板的負荷的變化進行了深入研究。
其結果是，獲得了新的發現：製造銅合金板時，使最後退火時的結晶粒徑變大，且通過最終退火後的精軋來控制工作輥徑和板厚的比，進而增加加工度，能夠有效地使在沖壓加工時被沖頭與下模之間夾持時銅合金板的厚度方向的伸長變小。
而且，發現了：由此製造的銅-錫合金，拉伸特性沒有較大變化，剪切試驗中得到的位移-負荷曲線的半峰寬與現有技術中的相比變小，沖壓加工時銅合金板的沖壓斷面形成於早期階段，因此，能夠有效抑制毛邊的產生。
基於這樣的發現，本發明的銅合金板含有0.01~0.3質量%的錫，餘量由銅及不可避免的雜質構成，具有70%IACS(International Annealed Copper Standards，國際退火銅標準)以上的導電率，且由剪切實驗中位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7。
其中，本發明的銅合金板，較佳導電率為75%IACS 以上，平行於軋製方向的0.2%的降伏應力為450MPa以上，且垂直於軋製方向的0.2%的降伏應力/平行於軋製方向的0.2%的降伏應力為1.0以上。
其中，本發明的銅合金板，較佳垂直於軋製方向的伸長與平行於軋製方向的伸長的比為0.8以上且1.2以下。
而且，本發明的銅合金板，進一步含有總量為0.1質量%以下之選自由磷(P)、銀(Ag)、鎳(Ni)、錳(Mn)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、硼(B)以及鈣(Ca)所組成的群組中的至少一種元素。
本發明的沖壓成型品具有上述任一種的銅合金板。
根據本發明，通過由剪切實驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7的銅合金板，由於在沖壓加工時被沖頭與下模之間夾持的銅合金板的沖壓斷面在早期形成，形成了斷裂面比例大的沖壓斷面，能夠有效抑制毛邊的產生。因此，能夠大大改善沖壓沖製性。
其結果是，該銅合金板非常適用於端子、連接器、繼電器、開關、插座、母線、引線框架及其他的電子元件等。
第1圖是對應於各階段的銅合金板的狀態，隨著銅合金板的沖壓加工時沖頭行程的增大，作用於銅合金板的負荷的變化的示意圖；第2圖是本發明一實施方式所涉及的銅合金板的位移-負荷曲線的一個例子與現有技術中的銅合金板的位移-負荷曲線的一個例子進行比較的曲線圖；第3圖是用於求出位移-負荷曲線的剪切試驗的概略圖；第4圖是分別以100倍及200倍放大發明例1的斷裂面的一部分的顯微鏡影像；以及第5圖是分別以100倍及200倍放大比較例2的斷裂面的一部分 的顯微鏡影像。
以下，對本發明的實施方式進行詳細地說明。
本發明一實施方式所涉及的銅合金板含有0.01~0.3質量%的錫，餘量由銅及不可避免的雜質構成，具有70%IACS(International Annealing Copper Standard)以上的導電率，且由剪切實驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7。這樣的銅合金板，適用於通過沖壓加工而製造的電子元件。
(合金組成分濃度)
錫濃度為0.01~0.3質量%。如果錫濃度超過0.3質量%，就難以得到70%IACS以上的導電率。如果錫濃度小於0.01質量%，由剪切試驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.7以上，不能確認具有減少毛邊的效果。此外，如果錫濃度小於0.01質量%，由於0.2%的降伏應力降低，則不能滿足所要求的特性。從該觀點考慮，錫濃度較佳為0.03~0.25質量%，特佳為0.08~0.25質量%。
本發明的銅-錫系合金中，除了錫外，還可添加選自由磷、銀、鎳、錳、鎂、鋅、硼以及鈣所組成的群組中的至少一種元素，但添加這些元素時，其添加量的總量較佳0.1質量%以下。如果它們的總量超過0.1質量%，則導電率降低、原料成本增加、製造性變差。
(導電率)
本發明的銅合金板中，以JIS H0505標準測得的導電率為70%IACS以上。導電率為70%IACS以上的話，能夠發揮用於給定電子元件時的所要求的導電性。導電率較佳75%IACS以上，更佳80%IACS以上。
(0.2%降伏應力)
本發明中，平行於銅合金板的軋製方向(GW方向) 的0.2%的降伏應力較佳為450MPa以上，此時，銅合金板充分具有作為結構件的材料所必需的強度。平行於軋製方向的0.2%的降伏應力更佳為500MPa以上，特別地，進一步較佳為520MPa以上。
另一方面，垂直於銅合金板的軋製方向(BW)的0.2%的降伏應力，較佳為上述平行於軋製方向的0.2%的降伏應力以上。即，較佳垂直於軋製方向的0.2%的降伏應力與平行於軋製方向的0.2%的降伏應力的比為1.0以上。這是因為可使沖壓加工後的毛邊的長度變短、沖壓性變好。垂直於軋製方向的0.2%的降伏應力/平行於軋製方向的0.2%的降伏應力的比，更佳為1.03以上，進一步較佳為1.05以上。另一方面，如果垂直於軋製方向的0.2%的降伏應力/平行於軋製方向的0.2%的降伏應力的比過大，由於平行於軋製方向和垂直於軋製方向的沖壓後的斷面產生各向異性，導致沖壓後的毛邊長度變長，因此該比可為1.2以下，較佳1.15以下，更佳1.1以下。
此外，基於JIS Z2241標準測定0.2%的降伏應力。
(位移-負荷曲線的半峰寬)
本發明人，對在銅合金板的沖壓加工時，從沖頭與銅合金板的表面接觸時到沖製銅合金板之間的沖頭行程，與作用於銅合金板的負荷的關係進行了深入研究，結果是，發現通過沖壓加工得到的沖壓成型品的沖壓斷面中，為了減少導致毛邊的產生的剪切斷面的比例、同時增加斷裂面的比例，而減小由剪切試驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬是有效的。
如下對其進行詳細說明。沖壓加工時，如第1圖的圖表中所示，在沖頭行程還小的加工初期階段，沖頭與下模之間夾著的銅合金板，在分別與沖頭和下模接觸的位置產生塌邊。其後，隨著沖頭行程的增大，沖頭與下模之間夾著的銅合金板開始形成剪切面，沖頭與下模分別進一步咬入銅合金板，上述各塌邊變成裂紋時達到負荷的峰值，之後，隨著負荷的減少，裂紋擴展並形成斷裂面。
其中，沖壓成型品的沖壓斷面中剪切面所占比例增 大：是在從銅合金板的表面和背面形成塌邊到形成沖壓斷面的過程中，銅合金板不斷裂地沿板厚度方向較大延伸，於該期間沖頭切削銅合金板所引起的。
因此，為了使沖壓加工時的銅合金板的厚度方向的伸長減小，在銅合金板形成塌邊之後，快速地形成沖壓斷面，想到通過設置由剪切試驗中位移-負荷曲線求得的半峰寬小的銅合金板，使得沖壓成型品的沖壓斷面中剪切面所占的比例減少，斷裂面所占的比例增加。
基於上述發現，本發明的實施方式的銅合金板，由剪切實驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7。
剪切試驗中的位移-負荷曲線，例如，如第2圖所示，隨著位移的增大，負荷是在初期階段增加的、經過峰值後下降的山形的曲線。本發明的實施方式的銅合金板中，半峰寬是指負荷峰值的1/2的負荷的位移寬度，小於相同板厚的現有的銅合金。
其結果是，對該實施方式的銅合金板進行沖壓加工時，如第1圖所示之對應於沖頭行程量的負荷的曲線，在銅合金板的表面及背面形成塌邊且經過峰值後，負荷急劇下降，在早期形成沖壓斷面，能夠有效抑制到沖壓斷面形成為止的期間由沖頭切削銅合金板所引起的剪切面比例增大。由此，由於在沖壓斷面減少剪切面的同時增大了斷裂面，可有效抑制從沖壓斷面突出到表背面側的毛邊的產生。
其中，為求出位移-負荷曲線的剪切試驗如下進行：如第3圖所示，將厚度為0.1mm的銅合金板的樣品夾在直徑為9.98mm的圓柱形的沖頭與設置了間隙為0.01mm的下模之間，以0.1mm/min的速度使沖頭朝向下模位移，隨著位移的增加，用設置於沖頭側的測力感測器適當測定負荷。
無需特別地設定半峰寬與板厚的比(r)的下限，但通常在形成塌邊以及剪切斷面的情況下設為0.2以上。另一方面，如果半峰寬與板厚的比(r)超過0.7，則由於不能充分減小沖壓加 工時板厚度方向的伸長，不能如期發揮抑制毛邊的產生的效果。
因此，半峰寬與板厚的比(r)的更佳的範圍為0.25r<0.7，進一步較佳的範圍為0.3r<0.7。
(板厚)
銅合金板的厚度，即板厚具體可為0.05mm~2.0mm。由於如果在上述範圍以外，提高了沖壓的剪切面和毛邊的管理的難度，因此更佳板厚為0.06mm~1.5mm。但，板厚可根據銅合金板的用途等來適當決定，不限於本發明所示出的數值範圍。
(伸長)
較佳為當平行於軋製方向的伸長與垂直於軋製方向的伸長的各向異性較小時，在任意方向實施沖壓加工，均可抑制毛邊的產生。因此，垂直於軋製方向的伸長與平行於軋製方向的伸長的比較佳為0.8以上且1.2以下。垂直於軋製方向的伸長與平行於軋製方向的伸長的比更佳為0.8以上且1.15以下。垂直於軋製方向的伸長與平行於軋製方向的伸長的比進一步較佳為0.8以上且1.1以下。基於JIS Z2241標準測定該伸長。
(毛邊高度)
對於上述剪切試驗後得到的圓柱狀的試驗片，利用光學顯微鏡(倍率1000倍)及實體顯微鏡，360°地觀察該試驗片的沖壓斷面，將觀察到的最長毛邊沿板厚度方向的長度作為毛邊高度。以1μm為單位測定毛邊高度，如果小於5μm則在性能上沒有問題。較佳小於3μm，進一步較佳希望沒有毛邊。
(製造方法)
以上所述的銅合金板，可通過如下例子所示的製造方法進行製造。
熔化作為純銅原料的無氧銅等，添加錫及所需的其他合金元素，鑄造成厚度為30~300mm左右的鑄錠。將該鑄錠，例如通過800~1000℃的熱軋形成厚度為3~30mm左右的板，之後，以所需的次數重複進行冷軋和再結晶退火，通過最終冷軋完成給定的製品厚度，最後進行去應力退火。去應力退火無需特意進行， 其不對沖壓性產生影響。
再結晶退火中，使軋製組織再結晶化。
特別地，其中，在最終冷軋前的再結晶退火(最終退火)中，將材料的平均結晶粒徑調整為50μm以上。如果此時的平均結晶粒徑過小，不能充分減小所製造的銅合金板的沖壓加工時板厚方向的伸長。也就是說，難以使銅合金板的位移-負荷曲線的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7。因此，最終退火時的平均粒徑較佳50μm以上，特別地，進一步較佳為60μm以上。
另一方面，如果最終退火時的平均粒徑過大時，所製造的銅合金板的0.2%的降伏應力降低。因此，最終退火的平均結晶粒徑較佳為100μm以下，特別為95μm以下，進一步為85μm以下。
最終冷軋前的再結晶退火的條件是根據目標退火後的結晶粒徑和目標製品的導電率來確定的。具體地，可使用批式爐或連續退火爐，使爐內溫度為550~850℃，進行退火。也可以在批式爐中，在550~850℃的爐內溫度下，在30分鐘~30小時的範圍內適當調整加熱時間。也可以在連續退火爐中，在550~850℃的爐內溫度下，在5秒~10分鐘的範圍內適當調整加熱時間。
最終冷軋(精軋)中，使材料反復地通過一對軋輥之間，以達到目標的板厚。
這裡，將通過軋輥之間的次數設為n道次，將各道次的加工度設置為相同的大小，從最初的道次到n/3道次以上，設置工作輥的直徑與材料的板厚比為40以上是很重要的。通過這樣的大直徑的工作輥的壓延，由於材料與工作輥的接觸面積大，材料能夠被大幅壓縮，能夠有效減小製造的銅合金板的位移-負荷曲線的半峰寬。其中，最終冷軋的總道次為3道次~25道次，較佳5道次~15道次。
經過這些道次，最終冷軋的加工度Rf(%)由Rf=(t0-t)/t0×100(t0：最終冷軋前的板厚，t：最終冷軋後的板厚)得到。該最終冷軋的加工度Rf最好為60%以上。也就是說，當最終冷 軋的加工度Rf小於60%時，銅合金的0.2%的降伏應力難以達到450MPa以上，存在不能充分滿足所要求的特性的情況。
此外，與再結晶退火交替反復操作的全部冷軋的總加工度R(%)由R=(T0-T)/T0×100(T0：冷軋前的板厚，T：冷軋後的板厚)得到。該總加工度R較佳為90%以上，更佳為92%以上。總加工度R低的情況下，銅合金板的垂直於軋製方向的長度/平行於軋製方向的長度的比小於0.8。另一方面，冷軋的總加工度R的上限為99.5%以下。當大於99.5%時，銅合金板的垂直於軋製方向的長度/平行於軋製方向的長度的比為1.2以上。總加工度R可以為99.5%以下。
本發明的去應力退火利用連續退火爐或批式爐來進行。將任何一種的加熱條件調整為爐內溫度在300~600℃範圍內、加熱時間在5秒~10分鐘範圍內。不必特意進行去應力退火。
本發明的一個特徵為，通過使由剪切實驗中的銅合金板的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)在給定的範圍內，以使沖壓加工時銅合金板的厚度方向的伸長變小，從而使沖壓斷面在早期形成。因此，銅合金板的製造條件如下。a.將最終退火時的平均結晶粒徑調整為50μm。b.在最終冷軋的初期道次中，使工作輥直徑/材料的板厚為40以上。
如上所製造的銅合金板，可被加工成各種板厚的銅製品，例如，可用於由沖壓加工形成的端子、連接器、繼電器、開關、插座、母線、引線框架等之電子元件及其他沖壓成型品中。
[實施例]
接著，試製本發明的銅合金板，並評價了其性能，如下進行說明。但，本說明僅用於示例，本發明不受其限定。
向銅溶液中添加合金元素後，鑄造了厚度為200mm的鑄錠。將該鑄錠在800℃下加熱3小時，在800℃下進行熱軋形成厚度為16mm的板狀。用內圓磨床磨削熱軋板表面的氧化皮，去除後，反復進行退火和冷軋，通過最終冷軋得到了給定的製品厚度。 最後利用連續退火爐進行了去應力退火。
最終冷軋前的退火(最終再結晶退火)為，利用批式爐，加熱時間設為5小時，調整爐內溫度在300~700℃的範圍內，使退火後的結晶粒徑和導電率發生了變化。在退火後的結晶粒徑的測定中，鏡面拋光垂直於軋製方向的斷面後進行化學腐蝕，用截斷法(JIS H0501(1999年))求得平均結晶粒徑。
按照如表1所示的各發明例及比較例，調整冷軋的總加工度、最終冷軋(精軋)的加工度、道次以及工作輥的直徑。
對在各條件下製造的銅合金板進行了如下的測定。
(組成分)
通過ICP-質量分析法分析了合金元素的濃度。
(剪切試驗)
採取厚度為0.1mm的樣品，將其以配置於直徑為9.98mm的圓柱形的沖頭與設置間隙為0.01mm的下模之間的狀態下，以0.1mm/min的速度使沖頭朝向下模位移，隨著位移的增加，用設置於沖頭側的測力感測器測定負荷，由此從所求出的位移-負荷曲線算出半峰寬。
(毛邊高度)
利用光學顯微鏡(倍率1000倍)及實體顯微鏡，全面觀察剪切試驗後所得到的圓柱狀的試驗片的周圍形成的沖壓斷面，測得了毛邊的高度。以1μm為單位測定了毛邊的高度。
(拉伸強度及0.2%降伏應力)
以JIS Z2241標準，分別沿平行於軋製方向的方向和垂直於軋製方向的方向採取試驗片，通過進行各個方向的拉伸試驗，求出了拉伸強度及0.2%降伏應力。
(伸長)
以JIS Z2241標準，分別沿平行於軋製方向的方向和垂直於軋製方向的方向採取試驗片，標點間距離為50mm，測定了各個方向的伸長。
(導電率)
使試驗片的長度方向為與軋製方向平行地從銅合金板採取試驗片，基於JIS H0505標準，通過四端子法測定了20℃下的導電率。
發明例及比較例的各條件示於表1，且測得的結果示於表2。
[表1]
[表2]
從表1及表2中所示的可以發現，發明例1~23中最終退火時的平均結晶粒徑都為50μm以上，而且，通過使工作輥直徑/材料的板厚為40以上，從製造的銅合金板的位移-負荷曲線求出的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7，同時毛邊高度為5以下，由此得到了沖壓沖製性良好的製品。此外，發明例1~23中，銅合金板的導電率為70%IACS以上，因此滿足了應用於電子元件的情況等所要求的導電性。
對此，在比較例1中，通過使錫的添加量變為0.007質量%這麼少時，銅合金板的半峰寬與板厚的比(r)變大，毛邊 高度也變高了。
比較例2、5中，降低最終退火溫度，最終退火時的平均結晶粒徑變小，但結果銅合金板的半峰寬與板厚的比(r)變大，雖然並不像比較例1中那麼高，但毛邊高度也變高了。
比較例3、6中，最終冷軋的初期的道次，由於工作輥直徑/材料的板厚變小，銅合金板的半峰寬與板厚的比(r)變大，毛邊高度也變高了。
比較例4中，通過減少精軋中增大了工作輥直徑的初期的道次數，由於材料不能被大直徑的工作輥充分軋製，因此銅合金板的半峰寬與板厚的比(r)變大，毛邊高度也變高了。
此外，比較例7中，雖然銅合金板的半峰寬與板厚的比(r)在給定的範圍內，但由於P的添加量變多而導致導電率變小。
因此，通過本發明的銅合金板，能夠有效抑制毛邊的產生，並能夠改善沖壓沖製性。

Claims (5)

  1. 一種銅合金板，其中，含有0.01~0.3質量%的錫，餘量由銅及不可避免的雜質構成，具有70%IACS以上的導電率，且由剪切實驗中的位移-負荷曲線求得的半峰寬與板厚的比(r)為0.2r0.7。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金板，其中，導電率為75%IACS以上，平行於軋製方向的0.2%的降伏應力為450MPa以上，且垂直於軋製方向的0.2%的降伏應力/平行於軋製方向的0.2%的降伏應力為1.0以上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金板，其中，垂直於軋製方向的伸長與平行於軋製方向的伸長的比為0.8以上且1.2以下。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金板，其中，含有總量為0.1質量%以下之選自由磷、銀、鎳、錳、鎂、鋅、硼以及鈣所組成的群組中的至少一種元素。
  5. 一種沖壓成型品，具有如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的銅合金板。
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